1、Loop critico e nodi critici della conversione di BUCK

Indipendentemente dal tipo di convertitore, la chiave della progettazione del layout PCB è trovare i circuiti chiave e i nodi chiave del sistema circuitale. Allora quali sono i circuiti chiave e i nodi chiave del sistema circuitale? In generale, il circuito con un elevato tasso di variazione di corrente di/dt e il nodo con un elevato tasso di variazione di tensione dV/dt sono i circuiti chiave e i nodi chiave, a cui dovrebbe essere data priorità nella progettazione del layout PCB.

Quando il tubo superiore del convertitore BUCK viene acceso e spento, la corrente e la forma d'onda di ciascun circuito sono mostrate nella Figura 1.

（a）上管开通的电流回路

（b）上管关断的电流回路

（c）L1 e L2 nella foto di copertina

（d）开关节点SW工作电压

（e）BUCK的工作电流环路

Parte 1: BUCK è un venditore di carte da gioco

Se L1 è chiamato loop di ingresso, L2 è chiamato loop di uscita; La sorgente S del tubo inferiore a terra del condensatore di ingresso è chiamata terra di ingresso, mentre la sorgente S del tubo inferiore a terra del condensatore di ingresso e di uscita è chiamata terra di uscita. Si può riscontrare che:(1) La corrente in ingresso

1) Il circuito L1, inclusa la terra di ingresso, è una forma d'onda di corrente a impulsi. Il fronte anteriore e quello posteriore della forma d'onda di corrente hanno un tasso di variazione della corrente di/dt molto elevato.(2) La corrente di

2) Il circuito L2, inclusa la terra di uscita, è equivalente alla corrente continua e l'onda triangolare alternata con un valore picco-picco più piccolo è sovrapposta. Il fronte anteriore e quello posteriore della forma d'onda di corrente hanno un tasso di variazione della corrente di/dt minore.

Pertanto, il circuito di ingresso con un tasso di variazione di corrente di/dt molto elevato, ovvero il circuito L1, inclusa la terra di ingresso, è la fonte di interferenza di una forte emissione di campo magnetico.

Se si osserva la forma d'onda della tensione, la tensione di ingresso, la tensione di uscita e il circuito di terra sono tutte tensioni stabili, mentre la tensione del nodo interruttore SW produce un tasso di variazione di tensione molto elevato dV/dt durante il processo di apertura del tubo superiore e chiusura, che è la fonte di interferenza di una forte emissione di campo elettrico.

2,Requisiti di progettazione e layout di base del PCB del convertitore BUCK

Secondo il principio di funzionamento del convertitore BUCK, le caratteristiche di corrente di ciascun circuito e le caratteristiche di tensione dei nodi di commutazione, è facile ottenere i principi di base del layout PCB del convertitore BUCK:

(1) Il circuito di ingresso L1, inclusa la terra di ingresso, dovrebbe essere il più corto possibile, ovvero il terminale positivo del condensatore di ingresso CIN dovrebbe essere il più vicino possibile allo scarico D del tubo superiore e al terminale di terra del condensatore di ingresso CIN dovrebbe essere il più vicino possibile alla sorgente S del tubo inferiore. Il cablaggio della spira deve essere il più spesso possibile, in modo da ridurre l'induttanza parassita della spira e l'interferenza del campo magnetico.Se necessario, posizionare un condensatore ceramico di disaccoppiamento di piccole dimensioni alla distanza più vicina tra il drain D del tubo superiore e la sorgente S del tubo inferiore.Il circuito di ingresso è il più corto possibile e il cablaggio è spesso, il che può ridurre la resistenza parassita e la perdita di conduzione, il che è vantaggioso per la dissipazione del calore.

(2) Il circuito di uscita L2, inclusa la terra di uscita, presenta poche interferenze del campo magnetico, ma la corrente di uscita è solitamente relativamente elevata. È necessario ridurre il più possibile il circuito e rendere il cablaggio il più spesso possibile per ridurre la resistenza parassita e la perdita di conduzione, che favorisce anche la dissipazione del calore e migliora l'efficienza del sistema. In una certa misura è anche possibile ridurre l'interferenza del campo magnetico.

(3) L'area del nodo interruttore SW dovrebbe essere la più piccola possibile, in modo da ridurre la capacità parassita del nodo e l'interferenza del campo elettrico. Tuttavia, questo nodo dovrebbe essere rivestito con uno strato di rame per migliorare la dissipazione del calore del MOSFET di potenza. Pertanto, è necessario trovare un equilibrio tra dissipazione del calore e progettazione EMI (interferenze da emissione di campi elettrici) e, se necessario, aggiungere un circuito di assorbimento per ridurre la velocità di variazione della tensione.

Altre considerazioni sono:

(4) Tutti i segnali di feedback e i piccoli segnali analogici devono essere tenuti lontani dai circuiti e dai nodi di cui sopra con grandi interferenze e devono essere utilizzati il più possibile cavi più sottili. Non far scorrere corrente di commutazione sotto il circuito integrato di controllo o il convertitore. Il segnale di campionamento corrente dovrebbe essere collegato a Kevin e la rete di filtri RC del segnale di campionamento corrente dovrebbe essere il più vicino possibile ai pin dell'IC.

图2：电流取样信号

(5) La messa a terra dei condensatori di ingresso e di uscita è collegata al piano di terra dello strato inferiore o interno tramite più passaggi. Se la parte inferiore del dispositivo ha un rivestimento in rame con caratteristiche elettriche di messa a terra, può anche essere collegato al piano di terra del fondo o dello strato interno tramite più passaggi per migliorare la dissipazione del calore.

(6) L'alimentazione CC e la terra CC, equivalenti alla terra CA, possono schermare i segnali di interferenza, quindi non dividerli il più possibile. Se la segmentazione è inevitabile, ridurre il numero e la lunghezza delle linee di segnale il più possibile e isolare il più possibile i piccoli segnali dai grandi piani di segnale tramite CA.

(7) Il circuito di pilotaggio del gate del MOSFET di potenza deve essere il più corto possibile e deve essere utilizzato un cablaggio parallelo. La sorgente D e il drain S del MOSFET sono cablati il più possibile con rame, come mostrato nella Figura 3.

(a) 好的布线 (b) 不好布线 

Sezione 3: modulo MOSFET

(8) Il sistema di alimentazione della scheda a 2 strati, lo strato superiore è il componente e lo strato del circuito di alimentazione, e lo strato inferiore è lo strato del piccolo segnale e del piano di terra. Pannello a 4 o 6 strati, è possibile adottare il seguente schema.

Tavolo 1:4层板ognistratodistribuzione

Tavolo 2:6层板ognistratodistribuzione

3,Esempio di layout di progettazione PCB del convertitore BUCK

3.1Schema discreto

I tubi superiore e inferiore adottano MOSFET di potenza discreti e sono disponibili due layout comuni:

(1) Il tubo superiore e quello inferiore sono orizzontali e verticali a 90 gradi, come mostrato nella Figura 4;

(2) Il tubo superiore e quello inferiore sono disposti orizzontalmente, come mostrato nella Figura 5.

Il principio di base è: prima predisporre il circuito di alimentazione principale, in particolare il condensatore di ingresso e il circuito MOSFET di potenza, quindi predisporre il circuito dell'induttore e del condensatore di uscita, tenendo conto della divisione tra la massa di potenza e la massa del piccolo segnale; Infine, lato massa segnale piccolo, predisporre le relative linee di segnale.

(a) 优化布局

(b) 较差布局

Capitolo 4:垂直排列分立器件BUCK布局

I due layout di fig. 4, il loop di ingresso e la massa di ingresso in fig. 4(a), sono molto più piccoli di quelli di fig. 4(b), quindi lo schema di fig. 4(a) è più ottimizzato.

(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

Nel layout della Figura 5, Cin è lontano e il circuito di ingresso e la terra di ingresso sono relativamente grandi, ma questo layout è adatto per la connessione parallela multitubo e il circuito di corrente del circuito BUCK può essere ridotto aggiungendo alta frequenza condensatore di filtro sul retro del PCB.

3.2 Schema di integrazione

Lo schema di integrazione si riferisce al convertitore IC BUCK che integra il tubo superiore e quello inferiore. I seguenti progetti provengono dal layout consigliato dalle schede tecniche dei dispositivi di alcuni produttori e dai progetti effettivi di alcuni ingegneri del cliente.

Il principio di base è lo stesso di cui sopra: prima disporre il circuito di alimentazione principale, in particolare il condensatore di ingresso e il circuito di terra del circuito integrato, quindi disporre il condensatore di uscita, considerando la divisione tra terra di potenza e terra del piccolo segnale; Infine, lato massa segnale piccolo, predisporre le relative linee di segnale.

 (a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

Sezione 6:SOT23几种PCB局

Secondo il metodo di analisi di fig. 4, i percorsi di corrente del tubo superiore acceso e spento in fig. 6 vengono rispettivamente disegnati, e si rileva che:

(1) il percorso attuale in fig. 6(a) dovrebbe passare attraverso la parte inferiore del circuito integrato e ritornare a terra del condensatore di ingresso sottostante. il percorso della corrente è lungo e anche la massa di potenza (l'area dell'angolo superiore sinistro del pin GND dell'IC) e la massa del piccolo segnale (l'area destra del pin GND dell'IC) dovrebbero essere rigorosamente divise. il vantaggio è che il nodo interruttore SW è direttamente collegato all'induttore dell'ultimo piano.

(2) Il percorso della corrente nella Figura 6(b) è il più breve e la terra di alimentazione (l'area dell'angolo superiore sinistro PGND del pin GND dell'IC) e la terra del piccolo segnale (l'area destra SGND del pin GND dell'IC) sono rigorosamente divisi , come mostrato in Figura 7. Lo svantaggio è che il nodo interruttore SW è collegato all'induttore attraverso un foro passante.

Figura 7:SOT23局2电流路径

(3) nella fig. 6(c), i componenti vicino al pin destro dell'IC, un resistore e un condensatore collegati al pin BOOT fanno sì che la massa del condensatore di uscita non ritorni direttamente al pin GND dell'IC. Sono presenti due circuiti per il collegamento tra la terra del condensatore di uscita e il pin GND dell'IC: uno attraverso il foro passante nella parte inferiore dell'IC, il foro passante vicino alla terra del condensatore di uscita e il piano di terra in basso per formare un circuito di collegamento; L'altro è la terra del condensatore di uscita, che è avvolto da sotto l'IC al pin GND dell'IC e alla terra del condensatore di ingresso attraverso la copertura superiore in rame.In questo progetto di layout, il percorso di corrente è il più lungo, la terra di potenza e la terra del piccolo segnale non sono partizionate e il nodo interruttore SW è collegato all'induttore attraverso il foro passante, quindi il design del layout è scadente.Nella parte inferiore del dispositivo SOT23 è presente un rivestimento in rame con le caratteristiche elettriche collegate a terra. Sul pad corrispondente del PCB è possibile posizionare più vie, che possono essere collegate al piano di terra dello strato inferiore o dello strato interno per migliorare la dissipazione del calore. Come mostrato nella Figura 8, nelle condizioni consentite, posare il maggior numero possibile di vie e il diametro delle vie deve essere selezionato in modo appropriato per garantire che dopo la saldatura non fuoriesca stagno e lo stagno riempia le vie.

 Figura 8:下部有铜皮SOT23 PCB

La Figura 9 elenca diversi layout di progettazione PCB del pacchetto SO8. Le parti interessate possono analizzare i propri vantaggi e svantaggi secondo i metodi sopra indicati.

(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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