פריסת ועיצוב ה-PCB של ממיר באק

1, לולאה קריטית וצמתים קריטיים של המרת BUCK

לא משנה באיזה סוג ממיר מדובר, המפתח בתכנון פריסת PCB הוא למצוא את מעגלי המפתח וצמתי המפתח של מערכת המעגלים. אז מה הם מעגלי המפתח וצמתי המפתח של מערכת המעגלים? באופן כללי, הלולאה עם קצב שינוי זרם גדול di/dt והצומת עם קצב שינוי מתח גדול dV/dt הם לולאות המפתח וצמתי המפתח, שיש לתת להם עדיפות בתכנון פריסת PCB.

כאשר הצינור העליון של ממיר BUCK מופעל ומכבה, הזרם וצורת הגל של כל לולאה מוצגים באיור 1.

（a）上管开通的电流回路

（b）上管关断的电流回路

（c）L1和L2环路的电流波形

（ד）开关节点SW工作电压

（e）BUCK的工作电流环路

图1：BUCK的工作电流环路及波形

אם L1 נקרא לולאת הקלט, L2 נקרא לולאת הפלט; מקור ה-S של הצינור התחתון להארקה של קבל הקלט נקרא הארקת קלט, ומקור ה-S של הצינור התחתון להארקה של קבל הקלט והמוצא נקרא הארקת מוצא. ניתן למצוא ש:(1) הזרם ב

1) לולאת L1, כולל הארקת הקלט, היא צורת גל זרם דופק. לקצה המוביל והקצה האחורי של צורת הגל הנוכחית יש קצב שינוי זרם גדול מאוד di/dt.(2) הזרם של

2) מעגל L2, כולל הארקת המוצא, שווה ערך לזרם הישר, והגל המשולש לסירוגין עם ערך שיא לשיא קטן יותר מוצב מעל. לקצה המוביל והקצה האחורי של צורת הגל הנוכחית יש קצב שינוי זרם קטן יותר di/dt.

לכן, לולאת הכניסה עם קצב שינוי זרם גדול מאוד di/dt, כלומר לולאת L1, כולל הארקת הכניסה, היא מקור ההפרעה לפליטת שדה מגנטי חזק.

אם מסתכלים על צורת גל המתח, מתח הכניסה, מתח המוצא ומעגל ההארקה כולם מתחים יציבים, בעוד המתח של צומת המתג SW מייצר קצב שינוי מתח גדול מאוד dV/dt במהלך תהליך פתיחת הצינור העליון וסגירה, שהיא מקור ההפרעה לפליטת שדה חשמלי חזק.

2,דרישות עיצוב ופריסה בסיסיות של PCB ממיר BUCK

על פי עקרון העבודה של ממיר BUCK, המאפיינים הנוכחיים של כל לולאה ומאפייני המתח של צמתי מתג, קל לקבל את העקרונות הבסיסיים של פריסת PCB של ממיר BUCK:

(1) לולאת הכניסה L1, כולל הארקת הכניסה, צריכה להיות קצרה ככל האפשר, כלומר, המסוף החיובי של קבל הקלט CIN צריך להיות קרוב ככל האפשר לניקוז D של הצינור העליון ולמסוף הארקה. של קבל הקלט CIN צריך להיות קרוב ככל האפשר למקור S של הצינור התחתון. החיווט של הלולאה צריך להיות עבה ככל האפשר, כדי להפחית את השראות הטפילית של הלולאה ואת הפרעות השדה המגנטי.במידת הצורך, הנח קבל קרמי ניתוק בגודל קטן במרחק הקרוב ביותר בין הניקוז D של הצינור העליון למקור S של הצינור התחתון.מעגל הקלט קצר ככל האפשר והחיווט עבה, מה שיכול להפחית התנגדות תועה ואובדן הולכה, מה שמועיל לפיזור החום.

(2) ללולאת המוצא L2, כולל הארקת המוצא, יש מעט הפרעות בשדה מגנטי, אך זרם המוצא הוא בדרך כלל גדול יחסית. יש צורך להקטין את הלולאה ככל האפשר, ולהפוך את החיווט לעבה ככל האפשר כדי להפחית את ההתנגדות התועה ואובדן הולכה, מה שגם תורם לפיזור חום ולשיפור יעילות המערכת. במידה מסוימת, ניתן גם להפחית את הפרעות השדה המגנטי.

(3) השטח של צומת המתג SW צריך להיות קטן ככל האפשר, כדי להפחית את הקיבול הטפילי של הצומת ואת הפרעות השדה החשמלי. עם זאת, יש לרצות צומת זה במעטפת נחושת כדי לחזק את פיזור החום של טרנזיסטור MOSFET הספק. לכן, יש צורך לאזן בין פיזור חום לבין תכנון EMI (הפרעות פליטת שדה חשמלי), ובמידת הצורך, יש להוסיף מעגל ספיגה כדי להפחית את קצב שינוי המתח.

שיקולים נוספים הם:

(4) יש להרחיק את כל אותות המשוב והאותות הקטנים האנלוגיים מהמעגלים והצמתים לעיל עם הפרעות גדולות, ויש להשתמש בחיווט דק יותר ככל האפשר. אל תזרים זרם מיתוג מתחת ל-IC הבקרה או הממיר. יש לחבר את אות הדגימה הנוכחי בקווין, ורשת מסנן ה-RC של אות הדגימה הנוכחי צריכה להיות קרובה ככל האפשר לפינים של IC.

图2：电流取样信号

(5) הארקה של קבלי הקלט והיציאה מחוברת למישור ההארקה של השכבה התחתונה או הפנימית דרך מספר חיבורים. אם לחלק התחתון של המכשיר יש עור נחושת עם מאפיינים חשמליים של הארקה, ניתן לחבר אותו למישור ההארקה של השכבה התחתונה או הפנימית דרך מספר צינורות כדי לשפר את פיזור החום.

(6) ספק כוח DC והארקת DC, שווה ערך להארקת AC, יכולים להגן על אותות הפרעות, אז אל תחלק אותם ככל האפשר. אם הפילוח הוא בלתי נמנע, צמצם את מספר ואורך קווי האות ככל האפשר, ובודד אותות קטנים ממישורי אותות גדולים על ידי AC ככל האפשר.

(7) לולאת הנעת השער של טרנזיסטור ה-MOSFET צריכה להיות קצרה ככל האפשר, ויש להשתמש בחיווט מקבילי. רכיבי המקור D והניקוז S של ה-MOSFET מחווטים עם נחושת ככל האפשר, כפי שמוצג באיור 3.

(א) 好的布线 (ב) 不好布线 

图3：功率MOSFET的布线

(8) מערכת אספקת החשמל של לוח דו-שכבתי, השכבה העליונה היא שכבת הרכיבים ולולאת הכוח, והשכבה התחתונה היא שכבת האות הקטן ומישור ההארקה. לוח 4 שכבות או 6 שכבות, ניתן לאמץ את התכנית הבאה.

表1:4层板כל אחדשִׁכבָההפצה

表2:6层板כל אחדשִׁכבָההפצה

3,דוגמה לפריסת עיצוב PCB של ממיר BUCK

3.1תכנית בדידה

הצינורות העליונים והתחתונים מאמצים MOSFET הספק בדיד, וישנן שתי סידורים נפוצים של הצינורות העליונים והתחתונים:

(1) הצינור העליון והצינור התחתון הם אופקיים ואנכיים ב-90 מעלות, כפי שמוצג באיור 4;

(2) הצינור העליון והצינור התחתון מסודרים אופקית, כפי שמוצג באיור 5.

העיקרון הבסיסי הוא: ראשית, תכננו את מעגל ההספק הראשי, ובמיוחד את קבל הקלט ואת מעגל MOSFET ההספק, לאחר מכן תכננו את מעגל המשרן וקבל הפלט, תוך התחשבות בחלוקת הארקת ההספק וארקת אותות קטנים; לבסוף, בצד הארקת האות הקטן, פרש את קווי האות הרלוונטיים.

(א) 优化布局

(ב) 较差布局

图4：垂直排列分立器件BUCK布局

שני הפריסות באיור. 4, לולאת הקלט והארקת הקלט באיור. 4(א), קטנים בהרבה מאלו שבאיור. 4(ב), כך שהפריסה באיור. 4(א) מותאם יותר.

(א) 顶层布局

(ב) 高频电容

(ג) 高频电容放置背面底层

图5：水平排列分立器件BUCK布局

בפריסה של איור 5, Cin נמצא רחוק, ולולאת הקלט והארקת הקלט גדולים יחסית, אך פריסה זו מתאימה לחיבור מקבילי רב-צינורית, וניתן להפחית את הלולאה הנוכחית של מעגל BUCK על ידי הוספת תדר גבוה קבל מסנן בגב PCB.

3.2 תכנית אינטגרציה

סכימת האינטגרציה מתייחסת לממיר BUCK IC המשלב את הצינור העליון והצינור התחתון. העיצובים הבאים מגיעים מהפריסה המומלצת על ידי גיליונות נתונים של חלק מהיצרנים ומהעיצובים בפועל של כמה מהנדסי לקוחות.

העיקרון הבסיסי הוא זהה לעיל: תחילה פרש את מעגל הכוח הראשי, במיוחד את קבל הקלט ומעגל הארקה של IC, ולאחר מכן התקן את קבל המוצא, תוך התחשבות בחלוקת הארקת הכוח והארקת האות הקטן; לבסוף, בצד הארקת האות הקטן, פרש את קווי האות הרלוונטיים.

 (א) 布局1

 (ב) 布局2

(ג) 布局3

图6：SOT23几种PCB布局

לפי שיטת הניתוח של איור. 4, מסלולי הזרם של הצינור העליון לסירוגין באיור. 6 מצוירים בהתאמה, וניתן למצוא כי:

(1) נתיב הזרם באיור. 6(א) צריך לעבור דרך החלק התחתון של ה-IC ולחזור לאדמה של קבל הקלט למטה. הנתיב הנוכחי ארוך, ויש לחלק בקפדנות את הארקת החשמל (אזור הפינה השמאלית העליונה של פין GND של ה-IC) והארקת האות הקטן (האזור הימני של פין GND של ה-IC). היתרון הוא שצומת המתג SW מחובר ישירות למשרן בקומה העליונה.

(2) נתיב הזרם באיור 6(ב) הוא הקצר ביותר, והארקת החשמל (אזור הפינה השמאלית העליונה PGND של פין GND של IC) והארקת האות הקטן (האזור הימני SGND של פין GND של IC) מחולקים בקפדנות , כפי שמוצג באיור 7. החיסרון הוא שצומת המתג SW מחובר למשרן דרך חור דרך.

איור 7:SOT23布局2电流路径

(3) באיור. 6(c), הרכיבים ליד הפין הימני של ה-IC, נגד וקבל המחוברים לפין BOOT גורמים להארקה של קבל המוצא לא לחזור ישירות לפין GND של ה-IC. ישנם שני מעגלים לחיבור בין הארקה של קבל המוצא לפין ה-GND של ה-IC: האחד הוא דרך חור המעבר בתחתית ה-IC, חור המעבר ליד הארקה של קבל המוצא ומישור ההארקה. בתחתית ליצירת מעגל חיבור; השני הוא הארקה של קבל המוצא, שמפותל מתחת ל-IC אל פין GND של ה-IC והארקה של קבל הקלט דרך עור הנחושת העליון.בתכנון פריסה זה, נתיב הזרם הוא הארוך ביותר, הארקת החשמל והארקת האות הקטן אינם מחולקים, וצומת המתג SW מחובר למשרן דרך חור המעבר, כך שתכנון הפריסה גרוע.בתחתית מכשיר SOT23, יש עור נחושת עם מאפיינים חשמליים מוארקים. על המשטח המתאים של PCB, ניתן להניח מספר חיבורים, אותם ניתן לחבר למישור ההארקה של השכבה התחתונה או לשכבה הפנימית כדי לשפר את פיזור החום. כפי שמוצג באיור 8, בתנאים המותרים, הנח כמה שיותר צינורות, ויש לבחור את קוטר הצינורות כראוי כדי להבטיח שלאחר ההלחמה, לא ידלוף פח והפח ימלא את הצינורות.

 איור 8:下部有铜皮SOT23 PCB布局

איור 9 מפרט כמה פריסות עיצוב PCB של חבילת SO8. בעלי עניין יכולים לנתח את היתרונות והחסרונות שלהם לפי השיטות הנ"ל.

(א) 布局1

 (ב) 布局2

(ג) 布局3

图9：下部有铜皮SO8几种PCB布局

כתב ויתור: מאמר זה משוכפל מתוך "Songge Power Supply" כדי לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני. נא לציין את המקור והמחבר המקורי בעת ההדפיסה המחודשת. אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.