Tata letak dan desain PCB konverter Buck

1、Loop kritis dan node kritis konversi BUCK

Apa pun jenis konverternya, kunci desain tata letak PCB adalah menemukan sirkuit kunci dan node kunci dari sistem sirkuit. Jadi apa saja rangkaian kunci dan simpul kunci dari sistem rangkaian? Umumnya, loop dengan laju perubahan arus besar di/dt dan node dengan laju perubahan tegangan besar dV/dt adalah loop kunci dan node kunci, yang harus diprioritaskan dalam desain tata letak PCB.

Ketika tabung atas konverter BUCK dihidupkan dan dimatikan, arus dan bentuk gelombang setiap loop ditunjukkan pada Gambar 1.

（a）上管开通的电流回路

（b）上管关断的电流回路

（c）L1 dan L2环路的电流波形

（d）开关simpulSW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

Jika L1 disebut loop masukan, L2 disebut loop keluaran; Sumber S dari tabung bawah ke ground kapasitor masukan disebut ground masukan, dan sumber S dari tabung bawah ke ground kapasitor masukan dan keluaran disebut ground keluaran. Dapat ditemukan bahwa:(1) Arus masuk

1)Lingkaran L1, termasuk ground masukan, adalah bentuk gelombang arus pulsa. Tepi depan dan tepi belakang bentuk gelombang arus mempunyai laju perubahan arus di/dt yang sangat besar.(2) Arus

2) Rangkaian L2, termasuk ground keluaran, setara dengan arus searah, dan gelombang segitiga bolak-balik dengan nilai puncak-ke-puncak yang lebih kecil ditumpangkan. Tepi terdepan dan tepi belakang dari bentuk gelombang arus memiliki laju perubahan arus yang lebih kecil di/dt.

Oleh karena itu, loop input dengan laju perubahan arus yang sangat besar di/dt, yaitu loop L1, termasuk ground input, merupakan sumber interferensi emisi medan magnet yang kuat.

Jika dilihat dari bentuk gelombang tegangannya, tegangan masukan, tegangan keluaran dan rangkaian ground semuanya merupakan tegangan stabil, sedangkan tegangan node saklar SW menghasilkan laju perubahan tegangan yang sangat besar dV/dt selama proses pembukaan tabung atas. dan penutupan yang merupakan sumber interferensi pancaran medan listrik kuat.

2,Persyaratan desain dan tata letak dasar PCB konverter BUCK

Menurut prinsip kerja konverter BUCK, karakteristik arus setiap loop dan karakteristik tegangan node sakelar, prinsip dasar tata letak PCB konverter BUCK mudah untuk diperoleh:

(1) Loop input L1, termasuk ground input, harus sependek mungkin, yaitu terminal positif kapasitor input CIN harus sedekat mungkin dengan saluran D dari tabung atas, dan terminal ground kapasitor masukan CIN harus sedekat mungkin dengan sumber S tabung bawah. Pengkabelan loop harus setebal mungkin, sehingga dapat mengurangi induktansi parasit dari loop dan gangguan medan magnet.Jika perlu, letakkan kapasitor keramik decoupling berukuran kecil pada jarak terdekat antara saluran D pada tabung atas dan sumber S pada tabung bawah.Sirkuit masukan dibuat sependek mungkin dan kabelnya tebal, yang dapat mengurangi hambatan nyasar dan kehilangan konduksi, yang bermanfaat untuk pembuangan panas.

(2) Loop keluaran L2, termasuk ground keluaran, memiliki sedikit gangguan medan magnet, tetapi arus keluaran biasanya relatif besar. Hal ini diperlukan untuk mengurangi loop sebanyak mungkin, dan membuat kabel setebal mungkin untuk mengurangi hambatan nyasar dan kehilangan konduksi, yang juga kondusif untuk pembuangan panas dan meningkatkan efisiensi sistem. Sampai batas tertentu, gangguan medan magnet juga dapat dikurangi.

(3) Luas titik saklar SW harus sekecil mungkin, sehingga dapat mengurangi kapasitansi parasit pada titik tersebut dan gangguan medan listrik. Namun, simpul ini harus dilapisi dengan kulit tembaga untuk memperkuat pembuangan panas MOSFET daya. Oleh karena itu, keseimbangan antara pembuangan panas dan desain EMI (Electric Field Emission Interference) perlu dicapai, dan bila perlu, rangkaian serapan harus ditambahkan untuk mengurangi laju perubahan tegangan.

Pertimbangan lainnya adalah:

(4) Semua sinyal umpan balik dan sinyal analog kecil harus dijauhkan dari sirkuit dan node di atas dengan gangguan besar, dan kabel yang lebih tipis harus digunakan semaksimal mungkin. Jangan mengalirkan arus switching di bawah IC kontrol atau konverter. Sinyal pengambilan sampel saat ini harus dihubungkan di Kevin, dan jaringan filter RC dari sinyal pengambilan sampel saat ini harus sedekat mungkin dengan pin IC.

图2：电流取样信号

(5) Pengardean kapasitor input dan output dihubungkan ke bidang ground lapisan bawah atau dalam melalui beberapa vias. Jika bagian bawah perangkat memiliki kulit tembaga dengan karakteristik pembumian listrik, perangkat tersebut juga dapat dihubungkan ke bidang pembumian di bagian bawah atau lapisan dalam melalui beberapa saluran untuk meningkatkan pembuangan panas.

(6) Catu daya DC dan ground DC, setara dengan ground AC, dapat melindungi sinyal interferensi, jadi jangan membaginya sebanyak mungkin. Jika segmentasi tidak dapat dihindari, kurangi jumlah dan panjang garis sinyal sebanyak mungkin, dan isolasi sinyal kecil dari bidang sinyal besar dengan AC sebanyak mungkin.

(7) Lingkaran penggerak gerbang MOSFET daya harus sependek mungkin, dan kabel paralel harus digunakan. Sumber D dan saluran S MOSFET disambungkan dengan tembaga sebanyak mungkin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.

(a) 好的布线 (b) 不好布线 

Langkah 3：功率MOSFET的布线

(8) Sistem catu daya papan 2 lapis, lapisan atas adalah lapisan komponen dan loop daya, dan lapisan bawah adalah lapisan sinyal kecil dan bidang tanah. Papan 4 lapis atau 6 lapis, skema berikut dapat diadopsi.

Tabel 1:4层板Masing-masingLapisandistribusi

Tabel 2:6层板Masing-masingLapisandistribusi

3,Contoh tata letak desain PCB konverter BUCK

3.1Skema diskrit

Tabung atas dan bawah mengadopsi MOSFET daya diskrit, dan ada dua tata letak umum tabung atas dan bawah:

(1) Pipa atas dan pipa bawah disusun secara horizontal dan vertikal pada sudut 90 derajat, seperti ditunjukkan pada Gambar 4;

(2) Pipa atas dan pipa bawah disusun mendatar seperti terlihat pada Gambar 5.

Prinsip dasarnya adalah: pertama-tama tata letak rangkaian daya utama, terutama kapasitor masukan dan rangkaian MOSFET daya, kemudian tata letak rangkaian induktor dan kapasitor keluaran, dengan mempertimbangkan pembagian ground daya dan ground sinyal kecil; Terakhir, pada sisi sinyal kecil, letakkan garis sinyal yang relevan.

(a) 优化布局

(b) 较差布局

图4：垂直排列分立器件BUCK布局

Dua tata letak pada gambar. 4, loop masukan dan ground masukan pada gambar. 4(a), jauh lebih kecil dibandingkan pada gambar. 4(b), jadi tata letak pada gambar. 4(a) lebih optimal.

(a) 顶层布局

(b) 高频电容

(c) 高频电容放置背面底层

图5：水平排列分立器件BUCK布局

Pada tata letak Gambar 5, Cin jauh, dan loop masukan serta ground masukan relatif besar, tetapi tata letak ini cocok untuk koneksi paralel multi-tabung, dan loop arus rangkaian BUCK dapat dikurangi dengan menambahkan frekuensi tinggi filter kapasitor di bagian belakang PCB.

3.2 Skema integrasi

Skema integrasi mengacu pada IC konverter BUCK yang mengintegrasikan tabung atas dan tabung bawah. Desain berikut berasal dari tata letak yang direkomendasikan oleh lembar data perangkat beberapa produsen dan desain sebenarnya dari beberapa teknisi pelanggan.

Prinsip dasarnya sama seperti di atas: pertama-tama tata letak rangkaian daya utama, terutama kapasitor masukan dan rangkaian ground IC, kemudian tata letak kapasitor keluaran, dengan memperhatikan pembagian ground daya dan ground sinyal kecil; Terakhir, pada sisi sinyal kecil, letakkan garis sinyal yang relevan.

 (a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

图6：SOT23几种PCB布局

Menurut metode analisis pada Gambar. 4, jalur saat ini dari tabung atas hidup dan mati pada gambar. Diambil 6 buah berturut-turut, dan didapati bahwa:

(1) jalur saat ini pada gambar. 6(a) harus melewati bagian bawah IC dan kembali ke ground kapasitor masukan di bawah. jalur arusnya panjang, dan ground daya (area sudut kiri atas pin GND IC) dan ground sinyal kecil (area kanan pin GND IC) juga harus dibagi secara ketat. kelebihannya adalah switch node SW terhubung langsung dengan induktor di lantai paling atas.

(2) Jalur arus pada Gambar 6(b) adalah yang terpendek, dan ground daya (PGND area sudut kiri atas dari pin GND IC) dan ground sinyal kecil (area kanan SGND dari pin GND IC) dibagi secara ketat , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Kerugiannya adalah node sakelar SW dihubungkan ke induktor melalui lubang via.

Gambar 7:SOT23布局2电流路径

(3) pada gambar. 6(c), komponen di dekat pin kanan IC, resistor dan kapasitor yang dihubungkan ke pin BOOT membuat ground kapasitor keluaran tidak langsung kembali ke pin GND IC. Ada dua rangkaian untuk menghubungkan ground kapasitor keluaran dan pin GND IC: satu melalui lubang via di bagian bawah IC, lubang via di dekat ground kapasitor keluaran, dan ground plane. di bagian bawah membentuk rangkaian sambungan; Yang lainnya adalah ground kapasitor keluaran, yang dililitkan dari bawah IC ke pin GND IC dan ground kapasitor masukan melalui kulit tembaga atas.Dalam desain tata letak ini, jalur arus adalah yang terpanjang, ground daya dan ground sinyal kecil tidak dipartisi, dan node sakelar SW dihubungkan ke induktor melalui lubang via, sehingga desain tata letaknya buruk.Di bagian bawah perangkat SOT23 terdapat kulit tembaga dengan karakteristik listrik yang di-ground. Pada bantalan PCB yang sesuai, beberapa vias dapat dipasang, yang dapat dihubungkan ke bidang dasar lapisan bawah atau lapisan dalam untuk meningkatkan pembuangan panas. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, dalam kondisi yang diizinkan, letakkan sebanyak mungkin vias, dan diameter vias harus dipilih dengan tepat untuk memastikan bahwa setelah penyolderan, tidak ada timah yang bocor dan timah akan mengisi vias.

 Gambar 8:papan PCB SOT23

Gambar 9 mencantumkan beberapa tata letak desain PCB paket SO8. Pihak yang berkepentingan dapat menganalisa kelebihan dan kekurangannya sesuai dengan cara di atas.

(a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

9：下部有铜皮SO8几种PCB布局

Penafian: Artikel ini direproduksi dari "Songge Power Supply" untuk mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber asli dan penulisnya saat mencetak ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.