降圧コンバータの PCB レイアウトと設計

2022-03-17 1151

1、BUCK変換のクリティカルループとクリティカルノード

コンバータの種類に関係なく、PCB レイアウト設計の鍵は、回路システムの主要な回路と主要なノードを見つけることです。では、回路システムの主要な回路と主要なノードは何でしょうか? 一般に、電流変化率 di/dt が大きいループと電圧変化率 dV/dt が大きいノードがキーループとキーノードであり、PCB レイアウト設計ではこれらを優先する必要があります。

BUCKコンバータの上管をON/OFFした時の各ループの電流と波形は図1のようになります。

（a）上管開通の電流回路

（b）上管断の電流回路

（c）L1、L2回路の電流波形

（d）开关节点SW工作電気圧

（e）BUCKの動作電流回路

図1：BUCKの動作電流回路及び波形

L1 が入力ループと呼ばれる場合、L2 は出力ループと呼ばれます。入力コンデンサのグランドへの下側管の S ソースは入力グランドと呼ばれ、入出力コンデンサのグランドへの下側チューブの S ソースは出力グランドと呼ばれます。次のことがわかります。(1) 電流

1)入力グランドを含むL1ループはパルス電流波形です。電流波形の立ち上がり部分と立ち下がり部分では、電流変化率di/dtが非常に大きくなります。(2) 電流

2)出力グランドを含むL2回路は直流と等価になり、ピークツウピーク値が小さい交流三角波が重畳されます。電流波形の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジでは、電流変化率di/dtが小さくなります。

したがって、電流変化率 di/dt が非常に大きい入力ループ、つまり入力グランドを含む L1 ループが強い磁界放射の干渉源となります。

電圧波形を見ると、入力電圧、出力電圧、グランド回路はいずれも安定した電圧ですが、スイッチノードSWの電圧は上部管が開く過程で非常に大きな電圧変化率dV/dtを生じます。そして、強電界放射の干渉源となる閉鎖です。

2、BUCK コンバータ PCB の基本設計とレイアウト要件

BUCK コンバータの動作原理、各ループの電流特性、スイッチノードの電圧特性に従って、BUCK コンバータの PCB レイアウトの基本原理を簡単に取得できます。

(1) 入力グランドを含む入力ループ L1 は、できるだけ短くする必要があります。つまり、入力コンデンサ CIN の正端子は、上部チューブのドレイン D とグランド端子にできるだけ近づける必要があります。入力コンデンサ CIN は、下部管のソース S にできるだけ近づける必要があります。ループの寄生インダクタンスと磁界干渉を減らすために、ループの配線はできるだけ太くする必要があります。必要に応じて、上部管のドレイン D と下部管のソース S 間の最近接距離に小型のデカップリングセラミックコンデンサを配置します。入力回路を極力短くし、配線を太くすることで浮遊抵抗や導通損失を低減でき、放熱に有利です。

(2) 出力グランドを含む出力ループ L2 には磁界干渉はほとんどありませんが、通常、出力電流は比較的大きくなります。ループをできるだけ減らし、配線をできるだけ太くすることで、浮遊抵抗や導通損失を減らし、放熱にもつながり、システムの効率を向上させることができます。磁界干渉もある程度は軽減できます。

（３）スイッチノードＳＷの面積は、ノードの寄生容量と電界干渉を低減するために、できるだけ小さくすべきである。ただし、パワーMOSFETの放熱性を強化するために、このノードは銅箔で覆う必要があります。そのため、放熱性とEMI（電界放射干渉）設計のバランスをとる必要があり、必要に応じて電圧変化率を低減するための吸収回路を追加する必要があります。

その他の考慮事項は次のとおりです。

(4) フィードバック信号やアナログ微小信号は上記回路や干渉の大きいノードから遠ざけ、配線は極力細くしてください。制御ICやコンバータの下にスイッチング電流を流さないでください。電流サンプリング信号は Kevin に接続する必要があり、電流サンプリング信号の RC フィルターネットワークはできるだけ IC のピンに近づける必要があります。

図2：電流取样信号

(5) 入力および出力コンデンサの接地は、複数のビアを介して最下層または内層の接地面に接続されます。デバイスの底部に接地の電気特性を持つ銅スキンがある場合、複数のビアを介して底部または内層のグランドプレーンに接続して、熱放散を強化することもできます。

(6)DC電源とDCグランドはACグランドに相当し、干渉信号を遮蔽する可能性があるため、できるだけ分割しないでください。分離が避けられない場合は、信号線の数と長さを可能な限り減らし、小さな信号と大きな信号プレーンを AC で可能な限り分離します。

(7)パワーMOSFETのゲート駆動ループはできる限り短くし、平行配線を使用する必要があります。 MOSFETのソースDとドレインSは、図3に示すように、可能な限り銅で配線されます。

(a) 良い配線 (b) 悪い配線

図3：パワーMOSFETの配線図

(8) 2 層基板の電源システム。最上層はコンポーネント層と電源ループ層、最下層は小信号層とグランドプレーン層です。 4層基板または6層基板では、以下の方式が採用可能です。

表 1:4枚板それぞれレイヤー分布

表 2:6枚板それぞれレイヤー分布

3、BUCKコンバータのPCB設計レイアウト例

3.1離散スキーム

上部チューブと下部チューブはディスクリートパワーMOSFETを採用しており、上部チューブと下部チューブの一般的なレイアウトは2つあります。

(1) 図 90 に示すように、上部パイプと下部パイプは水平および 4 度垂直になっています。

(2) 図 5 に示すように、上部パイプと下部パイプが水平に配置されます。

基本的な原則は、まず主電源回路、特に入力コンデンサとパワー MOSFET 回路をレイアウトし、次に電源グランドと小信号グランドの分割を考慮してインダクタと出力コンデンサ回路をレイアウトすることです。最後に小信号グランド側に該当する信号線を配線します。

(a) 优化布局

(b)较差布局

図4：垂直配列分立装置BUCK布局

図の 4 つのレイアウト。 4、図の入力ループと入力グランド。図４（ａ）のものは、図４のものよりもはるかに小さい。 4(b)なので、図のレイアウトになります。 4(a) はさらに最適化されています。

(a) 顶层布局

(b) 高周波電気容量

図5：水平配列分立装置BUCK布局

図5のレイアウトではCinが遠く、入力ループと入力グランドが比較的大きくなりますが、このレイアウトは多管並列接続に適しており、高周波を追加することでBUCK回路の電流ループを減らすことができます。 PCB の背面にあるフィルターコンデンサー。

3.2 統合スキーム

統合方式とは、上部管と下部管を統合した BUCK コンバーター IC を指します。以下の設計は、一部のメーカーのデバイスデータシートで推奨されているレイアウトと一部のカスタマーエンジニアの実際の設計に基づいています。

基本原理は上記と同様です。電源グランドと小信号グランドの分割を考慮して、まず主電源回路、特に入力コンデンサとICグランド回路をレイアウトし、次に出力コンデンサをレイアウトします。最後に小信号グランド側に該当する信号線を配線します。

(a)布局1

(b)布局2

(c)布局3

図6：SOT23几种PCB布局

図の分析方法によると、 4、図の上部チューブのオンとオフの電流経路。それぞれ 6 が描かれており、次のことがわかります。

(1) 図の電流パス。 6(a)の電流はICの底部を通過し、その下の入力コンデンサのグランドに戻るはずです。電流経路が長いため、パワーグランド(ICのGNDピンの左上隅の領域)と小信号グランド(ICのGNDピンの右側の領域)も厳密に分割する必要があります。利点は、スイッチノード SW が最上階のインダクタに直接接続されていることです。

(2) 図 6(b) の電流経路は最短であり、パワーグランド (IC の GND ピンの左上隅領域 PGND) と小信号グランド (IC の GND ピンの右側領域 SGND) が厳密に分離されています。欠点は、スイッチノード SW がビアホールを介してインダクタに接続されていることです。

図7：SOT23布局2電流経路

図の(3)図6(c)に示すように、ICの右ピン付近の部品と、BOOTピンに接続された抵抗とコンデンサにより、出力コンデンサのグランドが直接ICのGNDピンに戻らないようにしています。出力コンデンサのグランドと IC の GND ピン間の接続には XNUMX つの回路があります。XNUMX つは IC 底部のビアホール、出力コンデンサのグランド近くのビアホール、およびグランドプレーンを経由するものです。底部に接続回路を形成します。もう 1 つは出力コンデンサのグランドで、IC の下から IC の GND ピンに巻かれ、上部の銅皮膜を介して入力コンデンサのグランドに接続されます。このレイアウト設計では、電流経路が最も長く、電源グランドと小信号グランドが分離されておらず、スイッチノードSWがビアホールを介してインダクタに接続されているため、レイアウト設計が悪い。SOT23 デバイスの底部には、電気的特性が接地された銅のスキンがあります。 PCB の対応するパッド上に複数のビアを配置し、最下層または内層のグランドプレーンに接続して熱放散を強化できます。図 8 に示すように、許可された条件下では、できるだけ多くのビアを配置し、はんだ付け後に錫が漏れず、錫がビアに充填されるように、ビアの直径を適切に選択する必要があります。

図8：下部有铜皮SOT23 PCB布局

図 9 に、SO8 パッケージのいくつかの PCB 設計レイアウトを示します。興味のある方は、上記の方法に従ってメリットとデメリットを分析できます。

(a)布局1

(b)布局2