Disposition et conception du PCB du convertisseur Buck

1、Boucle critique et nœuds critiques de BUCKConversion

Quel que soit le type de convertisseur, la clé de la conception de la configuration des circuits imprimés est de trouver les circuits clés et les nœuds clés du système de circuits. Alors, quels sont les circuits clés et les nœuds clés du système de circuits ? Généralement, la boucle avec un taux de changement de courant élevé di/dt et le nœud avec un taux de changement de tension élevé dV/dt sont les boucles clés et les nœuds clés, qui doivent être prioritaires dans la conception de la configuration du PCB.

Lorsque le tube supérieur du convertisseur BUCK est allumé et éteint, le courant et la forme d'onde de chaque boucle sont illustrés à la figure 1.

（a）上管开通的电流回路

（b）上管关断的电流回路

（c）L1 et L2环路的电流波形

（d）开关节点SW工作电压

（e)BUCK的工作电流环路

Chapitre 1 : BUCK 工作电流环路及波形

Si L1 est appelée boucle d’entrée, L2 est appelée boucle de sortie ; La source S du tube inférieur à la masse du condensateur d'entrée est appelée masse d'entrée, et la source S du tube inférieur à la masse du condensateur d'entrée et de sortie est appelée masse de sortie. On peut constater que :(1) Le courant dans

1) La boucle L1, y compris la masse d'entrée, est une forme d'onde de courant pulsé. Le bord montant et le bord arrière de la forme d'onde actuelle ont un taux de variation de courant di/dt très important.(2) Le courant de

2) Le circuit L2, y compris la masse de sortie, est équivalent au courant continu, et l'onde triangulaire alternative avec une valeur crête à crête plus petite est superposée. Le bord avant et le bord arrière de la forme d'onde actuelle ont un taux de changement de courant di/dt plus petit.

Par conséquent, la boucle d'entrée avec un taux de variation de courant di/dt très élevé, c'est-à-dire la boucle L1, y compris la masse d'entrée, est la source d'interférence d'une forte émission de champ magnétique.

Si vous regardez la forme d'onde de tension, la tension d'entrée, la tension de sortie et le circuit de masse sont toutes des tensions stables, tandis que la tension du nœud de commutation SW produit un très grand taux de changement de tension dV/dt pendant le processus d'ouverture du tube supérieur. et la fermeture, qui est la source d'interférence d'une forte émission de champ électrique.

2,Exigences de base en matière de conception et de disposition du PCB du convertisseur BUCK

Selon le principe de fonctionnement du convertisseur BUCK, les caractéristiques de courant de chaque boucle et les caractéristiques de tension des nœuds de commutation, il est facile d'obtenir les principes de base de la disposition du circuit imprimé du convertisseur BUCK :

(1) La boucle d'entrée L1, y compris la masse d'entrée, doit être aussi courte que possible, c'est-à-dire que la borne positive du condensateur d'entrée CIN doit être aussi proche que possible du drain D du tube supérieur et la borne de terre du condensateur d'entrée CIN doit être le plus proche possible de la source S du tube inférieur. Le câblage de la boucle doit être le plus épais possible, de manière à réduire l'inductance parasite de la boucle et les interférences du champ magnétique.Si nécessaire, placez un condensateur céramique de découplage de petite taille à la distance la plus proche entre le drain D du tube supérieur et la source S du tube inférieur.Le circuit d'entrée est aussi court que possible et le câblage est épais, ce qui peut réduire la résistance parasite et la perte de conduction, ce qui est bénéfique pour la dissipation thermique.

(2) La boucle de sortie L2, y compris la masse de sortie, présente peu d'interférences de champ magnétique, mais le courant de sortie est généralement relativement important. Il est nécessaire de réduire la boucle autant que possible et de rendre le câblage aussi épais que possible pour réduire la résistance parasite et la perte de conduction, ce qui favorise également la dissipation thermique et améliore l'efficacité du système. Dans une certaine mesure, les interférences du champ magnétique peuvent également être réduites.

(3) La zone du nœud de commutation SW doit être aussi petite que possible, afin de réduire la capacité parasite du nœud et les interférences du champ électrique. Cependant, ce nœud doit être recouvert d'une couche de cuivre afin de renforcer la dissipation thermique du MOSFET de puissance. Il est donc nécessaire de trouver un équilibre entre dissipation thermique et conception anti-interférences électromagnétiques (EMI) et, si nécessaire, d'ajouter un circuit d'absorption pour réduire la variation de tension.

Les autres considérations sont :

(4) Tous les signaux de rétroaction et petits signaux analogiques doivent être tenus à l'écart des circuits et nœuds ci-dessus présentant de grandes interférences, et un câblage plus fin doit être utilisé autant que possible. Ne faites pas circuler de courant de commutation sous le circuit intégré de contrôle ou le convertisseur. Le signal d'échantillonnage actuel doit être connecté à Kevin et le réseau de filtres RC du signal d'échantillonnage actuel doit être aussi proche que possible des broches d'IC.

Section 2 : 电流取样信号

(5) La mise à la terre des condensateurs d'entrée et de sortie est connectée au plan de masse de la couche inférieure ou interne via plusieurs vias. Si le fond de l'appareil est doté d'une peau en cuivre présentant des caractéristiques électriques de mise à la terre, il peut également être connecté au plan de masse du fond ou de la couche interne via plusieurs vias pour améliorer la dissipation thermique.

(6) L'alimentation CC et la masse CC, équivalentes à la masse CA, peuvent protéger les signaux d'interférence, donc ne les divisez pas autant que possible. Si la segmentation est inévitable, réduisez autant que possible le nombre et la longueur des lignes de signal et isolez autant que possible les petits signaux des grands plans de signal par CA.

(7) La boucle de commande de grille du MOSFET de puissance doit être aussi courte que possible et un câblage parallèle doit être utilisé. La source D et le drain S du MOSFET sont câblés avec du cuivre autant que possible, comme illustré dans la figure 3.

(a) 好的布线 (b) 不好布线 

Étape 3 : capteur MOSFET

(8) Le système d'alimentation de la carte à 2 couches, la couche supérieure est la couche de composants et de boucle de puissance, et la couche inférieure est la couche de petit signal et de plan de masse. Carte à 4 ou 6 couches, le schéma suivant peut être adopté.

Tableau 1:4 heuresChacunCoucheDistribution

Tableau 2:6 heuresChacunCoucheDistribution

3,Exemple de disposition de conception PCB du convertisseur BUCK

3.1Schéma discret

Les tubes supérieurs et inférieurs adoptent un MOSFET de puissance discret, et il existe deux configurations courantes des tubes supérieurs et inférieurs :

(1) Le tuyau supérieur et le tuyau inférieur sont horizontaux et verticaux à 90 degrés, comme le montre la figure 4 ;

(2) Le tuyau supérieur et le tuyau inférieur sont disposés horizontalement, comme le montre la figure 5.

Le principe de base est le suivant : d’abord, disposer le circuit d’alimentation principal, en particulier le condensateur d’entrée et le circuit MOSFET de puissance, puis disposer le circuit d’inductance et de condensateur de sortie, en tenant compte de la division de la masse d’alimentation et de la masse du petit signal ; Enfin, du côté de la masse des petits signaux, disposez les lignes de signaux pertinentes.

(a) 优化布局

(b) 较差布局

Chapitre 4 : 垂直排列分立器件BUCK布局

Les deux dispositions de la fig. 4, la boucle d'entrée et la masse d'entrée sur la fig. 4(a), sont beaucoup plus petites que celles de la fig. 4(b), donc la disposition de la fig. 4(a) est plus optimisé.

(a) 顶层布局

(b) 高频电容

(c) 高频电容放置背面底层

Chapitre 5 : 水平排列分立器件BUCK布局

Dans la disposition de la figure 5, Cin est loin et la boucle d'entrée et la masse d'entrée sont relativement grandes, mais cette disposition convient à une connexion parallèle multitube, et la boucle de courant du circuit BUCK peut être réduite en ajoutant une haute fréquence. condensateur de filtrage à l'arrière du PCB.

3.2 Schéma d'intégration

Le schéma d'intégration fait référence au circuit intégré convertisseur BUCK qui intègre le tube supérieur et le tube inférieur. Les conceptions suivantes proviennent de la disposition recommandée par les fiches techniques des appareils de certains fabricants et des conceptions réelles de certains ingénieurs clients.

Le principe de base est le même que ci-dessus : disposez d'abord le circuit d'alimentation principal, en particulier le condensateur d'entrée et le circuit de masse du circuit intégré, puis disposez le condensateur de sortie, en tenant compte de la division de la masse d'alimentation et de la masse du petit signal ; Enfin, du côté de la masse des petits signaux, disposez les lignes de signaux pertinentes.

 (a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

Étape 6 : carte PCB SOT23.

Selon la méthode d'analyse de la fig. 4, les chemins de courant du tube supérieur activés et désactivés sur la fig. 6 sont respectivement dessinés, et on constate que :

(1) le chemin actuel sur la fig. 6 (a) doit passer par le bas du CI et retourner à la masse du condensateur d'entrée ci-dessous. le chemin du courant est long et la masse d'alimentation (la zone du coin supérieur gauche de la broche GND du circuit intégré) et la masse du petit signal (la zone droite de la broche GND du circuit intégré) doivent également être strictement divisées. l'avantage est que le nœud de commutation SW est directement connecté à l'inducteur au dernier étage.

(2) Le chemin du courant sur la figure 6 (b) est le plus court, et la masse d'alimentation (la zone du coin supérieur gauche PGND de la broche GND d'IC) et la masse du petit signal (la zone droite SGND de la broche GND d'IC) sont strictement divisées. , comme le montre la figure 7. L'inconvénient est que le nœud de commutation SW est connecté à l'inductance via un trou traversant.

Figure 7:SOT23布局2电流路径

(3) sur la fig. 6(c), les composants proches de la broche droite du CI, une résistance et un condensateur connectés à la broche BOOT empêchent la masse du condensateur de sortie de revenir directement à la broche GND du CI. Il existe deux circuits pour la connexion entre la masse du condensateur de sortie et la broche GND du CI : l'un passe par le trou de passage au bas du CI, le trou de passage près de la masse du condensateur de sortie et le plan de masse. en bas pour former un circuit de connexion ; L'autre est la masse du condensateur de sortie, qui est enroulée depuis le dessous du CI jusqu'à la broche GND du CI et la masse du condensateur d'entrée à travers la peau supérieure en cuivre.Dans cette conception de configuration, le chemin du courant est le plus long, la masse d'alimentation et la masse du petit signal ne sont pas séparées, et le nœud de commutation SW est connecté à l'inductance via le trou intermédiaire, la conception de configuration est donc médiocre.Au bas du dispositif SOT23 se trouve une peau en cuivre dont les caractéristiques électriques sont mises à la terre. Sur le plot correspondant du PCB, plusieurs vias peuvent être posés, qui peuvent être connectés au plan de masse de la couche inférieure ou à la couche interne pour améliorer la dissipation thermique. Comme le montre la figure 8, dans les conditions autorisées, posez autant de vias que possible, et le diamètre des vias doit être sélectionné de manière appropriée pour garantir qu'après le soudage, aucun étain ne fuira et que l'étain remplira les vias.

 Figure 8:Fabricant de PCB SOT23

La figure 9 répertorie plusieurs configurations de conception de PCB du boîtier SO8. Les parties intéressées peuvent analyser leurs avantages et inconvénients selon les méthodes ci-dessus.

(a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

Numéro 9 : produit de circuit imprimé SO8

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