Disposición y diseño de PCB del convertidor Buck

1. Bucle crítico y nodos críticos de conversión BUCK

No importa qué tipo de convertidor sea, la clave del diseño de PCB es encontrar los circuitos clave y los nodos clave del sistema de circuitos. Entonces, ¿cuáles son los circuitos clave y los nodos clave del sistema de circuitos? Generalmente, el bucle con una gran tasa de cambio de corriente di/dt y el nodo con una gran tasa de cambio de voltaje dV/dt son los bucles y nodos clave, a los que se les debe dar prioridad en el diseño de disposición de PCB.

Cuando el tubo superior del convertidor BUCK se enciende y apaga, la corriente y la forma de onda de cada bucle se muestran en la Figura 1.

(a)上管开通的电流回路

(b)上管关断的电流回路

(c)L1 y L2 环路的电流波形

(d) 开关nodoSW工作电压

(e) BUCK的工作电流环路

Capítulo 1: BUCK 的工作电流环路及波形

Si L1 se llama bucle de entrada, L2 se llama bucle de salida; La fuente S del tubo inferior a tierra del capacitor de entrada se llama tierra de entrada, y la fuente S del tubo inferior a tierra del capacitor de entrada y salida se llama tierra de salida. Se puede encontrar que:(1) La corriente en

1) El bucle L1, incluida la tierra de entrada, es una forma de onda de corriente de pulso. El borde anterior y el borde posterior de la forma de onda actual tienen una tasa de cambio de corriente di/dt muy grande.(2) La corriente de

2) El circuito L2, incluida la tierra de salida, es equivalente a la corriente continua y se superpone la onda triangular alterna con un valor pico a pico más pequeño. El borde anterior y posterior de la forma de onda actual tienen una tasa de cambio de corriente di/dt más pequeña.

Por lo tanto, el bucle de entrada con una tasa de cambio de corriente muy grande di/dt, es decir, el bucle L1, incluida la tierra de entrada, es la fuente de interferencia de emisión de campo magnético fuerte.

Si observa la forma de onda del voltaje, el voltaje de entrada, el voltaje de salida y el circuito de tierra son todos voltajes estables, mientras que el voltaje del nodo interruptor SW produce una tasa de cambio de voltaje muy grande dV/dt durante el proceso de apertura del tubo superior. y cierre, que es la fuente de interferencia de la fuerte emisión de campo eléctrico.

2,Requisitos básicos de diseño y disposición de la PCB convertidora BUCK

De acuerdo con el principio de funcionamiento del convertidor BUCK, las características de corriente de cada bucle y las características de voltaje de los nodos de conmutación, es fácil obtener los principios básicos del diseño de PCB del convertidor BUCK:

(1) El bucle de entrada L1, incluida la tierra de entrada, debe ser lo más corto posible, es decir, el terminal positivo del capacitor de entrada CIN debe estar lo más cerca posible del drenaje D del tubo superior, y el terminal de tierra del condensador de entrada CIN debe estar lo más cerca posible de la fuente S del tubo inferior. El cableado del bucle debe ser lo más grueso posible para reducir la inductancia parásita del bucle y la interferencia del campo magnético.Si es necesario, coloque un condensador cerámico de desacoplamiento de pequeño tamaño a la distancia más cercana entre el drenaje D del tubo superior y la fuente S del tubo inferior.El circuito de entrada es lo más corto posible y el cableado es grueso, lo que puede reducir la resistencia parásita y la pérdida de conducción, lo que favorece la disipación del calor.

(2) El bucle de salida L2, incluida la tierra de salida, tiene poca interferencia de campo magnético, pero la corriente de salida suele ser relativamente grande. Es necesario reducir el bucle tanto como sea posible y hacer que el cableado sea lo más grueso posible para reducir la resistencia parásita y la pérdida de conducción, lo que también favorece la disipación del calor y mejora la eficiencia del sistema. Hasta cierto punto, también se pueden reducir las interferencias del campo magnético.

(3) El área del nodo interruptor SW debe ser lo más pequeña posible para reducir la capacitancia parásita del nodo y la interferencia del campo eléctrico. Sin embargo, este nodo debe estar pavimentado con una capa de cobre para fortalecer la disipación de calor del MOSFET de potencia. Por lo tanto, es necesario lograr un equilibrio entre la disipación de calor y el diseño EMI (interferencia de emisión de campo eléctrico) y, cuando sea necesario, se debe agregar un circuito de absorción para reducir la tasa de cambio de voltaje.

Otras consideraciones son:

(4) Todas las señales de retroalimentación y pequeñas señales analógicas deben mantenerse alejadas de los circuitos y nodos anteriores con grandes interferencias, y se debe utilizar cableado más delgado tanto como sea posible. No fluya corriente de conmutación bajo el IC de control o el convertidor. La señal de muestreo actual debe estar conectada en Kevin, y la red de filtro RC de la señal de muestreo actual debe estar lo más cerca posible de los pines de IC.

Capítulo 2: 电流取样信号

(5) La conexión a tierra de los condensadores de entrada y salida está conectada al plano de tierra de la capa inferior o interna a través de múltiples vías. Si la parte inferior del dispositivo tiene una piel de cobre con características eléctricas de conexión a tierra, también se puede conectar al plano de tierra de la capa inferior o interna a través de múltiples vías para mejorar la disipación de calor.

(6)La fuente de alimentación CC y la tierra CC, equivalentes a la tierra CA, pueden proteger las señales de interferencia, así que no las divida tanto como sea posible. Si la segmentación es inevitable, reduzca el número y la longitud de las líneas de señal tanto como sea posible y aísle las señales pequeñas de los planos de señales grandes mediante CA tanto como sea posible.

(7) El bucle de accionamiento de compuerta del MOSFET de potencia debe ser lo más corto posible y se debe utilizar cableado paralelo. La fuente D y el drenaje S del MOSFET están cableados con cobre tanto como sea posible, como se muestra en la Figura 3.

(a) 好的布线 (b) 不好布线 

Capítulo 3: Modelo MOSFET

(8) El sistema de suministro de energía de una placa de 2 capas, la capa superior es la capa de componente y bucle de alimentación, y la capa inferior es la capa de señal pequeña y plano de tierra. Tablero de 4 o 6 capas, se puede adoptar el siguiente esquema.

Tabla 1:4层板CadaCapadistribución

Tabla 2:6层板CadaCapadistribución

3,Ejemplo de diseño de PCB del convertidor BUCK

3.1esquema discreto

Los tubos superior e inferior adoptan MOSFET de potencia discreta y hay dos diseños comunes de los tubos superior e inferior:

(1) El tubo superior y el tubo inferior están horizontales y verticales a 90 grados, como se muestra en la Figura 4;

(2) El tubo superior y el tubo inferior están dispuestos horizontalmente, como se muestra en la Figura 5.

El principio básico es: primero diseñe el circuito de alimentación principal, especialmente el capacitor de entrada y el circuito MOSFET de potencia, luego diseñe el circuito del inductor y el capacitor de salida, considerando la división de la tierra de energía y la tierra de señal pequeña; Finalmente, en el lado de tierra de la señal pequeña, coloque las líneas de señal relevantes.

(a) 优化布局

(b) 较差布局

Capítulo 4: 垂直排列分立器件BUCK布局

Los dos diseños de la fig. 4, el bucle de entrada y la tierra de entrada en la fig. 4(a), son mucho más pequeños que los de la fig. 4(b), por lo que el diseño de la fig. 4(a) está más optimizado.

(a) 顶层布局

(b) 高频电容

(c) 高频电容放置背面底层

Capítulo 5: 水平排列分立器件BUCK布局

En el diseño de la Figura 5, Cin está muy lejos y el bucle de entrada y la tierra de entrada son relativamente grandes, pero este diseño es adecuado para una conexión paralela de múltiples tubos y el bucle de corriente del circuito BUCK se puede reducir agregando alta frecuencia. condensador de filtro en la parte posterior de la PCB.

3.2 Esquema de integración

El esquema de integración se refiere al IC convertidor BUCK que integra el tubo superior y el tubo inferior. Los siguientes diseños provienen del diseño recomendado por las hojas de datos de dispositivos de algunos fabricantes y de los diseños reales de algunos ingenieros de clientes.

El principio básico es el mismo que el anterior: primero diseñe el circuito de alimentación principal, especialmente el capacitor de entrada y el circuito de tierra del IC, luego diseñe el capacitor de salida, considerando la división de la tierra de energía y la tierra de señal pequeña; Finalmente, en el lado de tierra de la señal pequeña, coloque las líneas de señal relevantes.

 (a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

Ejemplo 6: Placa PCB SOT23

Según el método de análisis de la fig. 4, las rutas actuales del tubo superior dentro y fuera en la fig. Se dibujan 6 respectivamente y se puede encontrar que:

(1) la ruta actual en la fig. 6(a) debe pasar por la parte inferior del IC y regresar a la tierra del capacitor de entrada que se encuentra debajo. la ruta actual es larga y la tierra de alimentación (el área de la esquina superior izquierda del pin GND del IC) y la tierra de señal pequeña (el área derecha del pin GND del IC) también deben estar estrictamente divididas. la ventaja es que el nodo de conmutación SW está conectado directamente al inductor en el piso superior.

(2) La ruta actual en la Figura 6 (b) es la más corta, y la tierra de alimentación (el área de la esquina superior izquierda PGND del pin GND del IC) y la tierra de señal pequeña (el área derecha SGND del pin GND del IC) están estrictamente divididas , como se muestra en la Figura 7. La desventaja es que el nodo interruptor SW está conectado al inductor a través de un orificio pasante.

Figura 7:SOT23布局2电流路径

(3) en la figura. 6(c), los componentes cerca del pin derecho del IC, una resistencia y un capacitor conectados al pin BOOT hacen que la tierra del capacitor de salida no regrese directamente al pin GND del IC. Hay dos circuitos para la conexión entre la tierra del capacitor de salida y el pin GND del IC: uno es a través del orificio de vía en la parte inferior del IC, el orificio de vía cerca de la tierra del capacitor de salida y el plano de tierra. en la parte inferior para formar un circuito de conexión; La otra es la tierra del capacitor de salida, que se enrolla desde debajo del IC hasta el pin GND del IC y la tierra del capacitor de entrada a través de la capa de cobre superior.En este diseño de diseño, la ruta actual es la más larga, la tierra de alimentación y la tierra de señal pequeña no están divididas y el nodo de conmutación SW está conectado al inductor a través del orificio de paso, por lo que el diseño de diseño es deficiente.En la parte inferior del dispositivo SOT23, hay una capa de cobre con características eléctricas conectadas a tierra. En la placa de PCB correspondiente, se pueden colocar múltiples vías, que se pueden conectar al plano de tierra de la capa inferior o la capa interna para mejorar la disipación de calor. Como se muestra en la Figura 8, bajo las condiciones permitidas, coloque tantas vías como sea posible y el diámetro de las vías debe seleccionarse adecuadamente para garantizar que después de soldar, no haya fugas de estaño y el estaño llene las vías.

 Figura 8:下部有铜皮SOT23 PCB布局

La Figura 9 enumera varios diseños de PCB del paquete SO8. Los interesados pueden analizar sus ventajas y desventajas según los métodos anteriores.

(a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

图9：下部有铜皮SO8几种PCB布局

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