Susun atur dan reka bentuk PCB penukar Buck

1、Gelung kritikal dan nod kritikal penukaran BUCK

Tidak kira apa jenis penukarnya, kunci reka bentuk susun atur PCB adalah untuk mencari litar utama dan nod utama sistem litar. Jadi apakah litar utama dan nod utama sistem litar? Secara amnya, gelung dengan kadar perubahan arus besar di/dt dan nod dengan kadar perubahan voltan besar dV/dt ialah gelung kekunci dan nod kekunci, yang harus diberi keutamaan dalam reka bentuk susun atur PCB.

Apabila tiub atas penukar BUCK dihidupkan dan dimatikan, arus dan bentuk gelombang setiap gelung ditunjukkan dalam Rajah 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

（d）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

Jika L1 dipanggil gelung input, L2 dipanggil gelung output; Sumber S tiub bawah ke tanah kapasitor input dipanggil tanah input, dan sumber S tiub bawah ke tanah kapasitor input dan output dipanggil tanah output. Ia boleh didapati bahawa:(1) Arus masuk

1) Gelung L1, termasuk tanah input, ialah bentuk gelombang arus denyut. Tepi hadapan dan tepi mengekor bentuk gelombang semasa mempunyai kadar perubahan arus yang sangat besar di/dt.(2) Arus daripada

2) Litar L2, termasuk tanah keluaran, adalah bersamaan dengan arus terus, dan gelombang segitiga berselang-seli dengan nilai puncak-ke-puncak yang lebih kecil ditindih. Tepi hadapan dan tepi belakang bentuk gelombang semasa mempunyai kadar perubahan arus yang lebih kecil di/dt.

Oleh itu, gelung input dengan kadar perubahan arus yang sangat besar di/dt, iaitu gelung L1, termasuk tanah input, adalah sumber gangguan pelepasan medan magnet yang kuat.

Jika anda melihat bentuk gelombang voltan, voltan masukan, voltan keluaran dan litar bumi semuanya adalah voltan yang stabil, manakala voltan nod suis SW menghasilkan kadar perubahan voltan yang sangat besar dV/dt semasa proses pembukaan tiub atas. dan penutupan, yang merupakan sumber gangguan pelepasan medan elektrik yang kuat.

2,Reka bentuk asas dan keperluan susun atur PCB penukar BUCK

Menurut prinsip kerja penukar BUCK, ciri semasa setiap gelung dan ciri voltan nod suis, mudah untuk mendapatkan prinsip asas susun atur PCB penukar BUCK:

(1) Gelung input L1, termasuk tanah input, hendaklah sesingkat mungkin, iaitu, terminal positif kapasitor input CIN hendaklah sedekat mungkin dengan longkang D tiub atas, dan terminal tanah daripada kapasitor input CIN hendaklah sedekat mungkin dengan sumber S tiub bawah. Pendawaian gelung hendaklah setebal mungkin, untuk mengurangkan kearuhan parasit gelung dan gangguan medan magnet.Jika perlu, letakkan kapasitor seramik penyahgandingan bersaiz kecil pada jarak terdekat antara longkang D tiub atas dan punca S tiub bawah.Litar input adalah sesingkat mungkin dan pendawaian adalah tebal, yang boleh mengurangkan rintangan sesat dan kehilangan pengaliran, yang bermanfaat kepada pelesapan haba.

(2) Gelung keluaran L2, termasuk tanah keluaran, mempunyai sedikit gangguan medan magnet, tetapi arus keluaran biasanya agak besar. Ia adalah perlu untuk mengurangkan gelung sebanyak mungkin, dan membuat pendawaian setebal mungkin untuk mengurangkan rintangan sesat dan kehilangan pengaliran, yang juga kondusif untuk pelesapan haba dan meningkatkan kecekapan sistem. Pada tahap tertentu, gangguan medan magnet juga boleh dikurangkan.

(3) Luas nod suis SW hendaklah sekecil mungkin, untuk mengurangkan kapasiti parasit nod dan gangguan medan elektrik. Walau bagaimanapun, nod ini harus diturap dengan kulit tembaga untuk menguatkan pelesapan haba MOSFET kuasa. Oleh itu, adalah perlu untuk mencapai keseimbangan antara pelesapan haba dan reka bentuk EMI (Gangguan Pelepasan Medan Elektrik), dan apabila perlu, litar penyerapan perlu ditambah untuk mengurangkan kadar perubahan voltan.

Pertimbangan lain adalah:

(4) Semua isyarat maklum balas dan isyarat kecil analog hendaklah dijauhkan daripada litar dan nod di atas dengan gangguan yang besar, dan pendawaian yang lebih nipis hendaklah digunakan sebanyak mungkin. Jangan mengalirkan arus pensuisan di bawah IC kawalan atau penukar. Isyarat pensampelan semasa hendaklah disambungkan dalam Kevin, dan rangkaian penapis RC bagi isyarat pensampelan semasa hendaklah sedekat mungkin dengan pin IC.

图2：电流取样信号

(5) Pembumian kapasitor input dan output disambungkan ke satah tanah lapisan bawah atau dalam melalui pelbagai vias. Jika bahagian bawah peranti mempunyai kulit tembaga dengan ciri elektrik pembumian, ia juga boleh disambungkan ke satah tanah bahagian bawah atau lapisan dalam melalui pelbagai vias untuk meningkatkan pelesapan haba.

(6) Bekalan kuasa DC dan tanah DC, bersamaan dengan tanah AC, boleh melindungi isyarat gangguan, jadi jangan bahagikannya sebanyak mungkin. Jika pembahagian tidak dapat dielakkan, kurangkan bilangan dan panjang garis isyarat sebanyak mungkin, dan asingkan isyarat kecil daripada satah isyarat besar dengan AC sebanyak mungkin.

(7) Gelung pemacu get Gate MOSFET kuasa hendaklah sesingkat mungkin, dan pendawaian selari hendaklah digunakan. Punca D dan longkang S MOSFET berwayar dengan kuprum sebanyak mungkin, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.

(a) 好的布线 (b) 不好布线 

图3：功率MOSFET的布线

(8) Sistem bekalan kuasa papan 2 lapisan, lapisan atas adalah komponen dan lapisan gelung kuasa, dan lapisan bawah adalah isyarat kecil dan lapisan satah tanah. Papan 4-lapisan atau 6-lapisan, skema berikut boleh diguna pakai.

Jadual 1:4层板masing-masingLapisanmengedarkan

Jadual 2:6层板masing-masingLapisanmengedarkan

3,Contoh susun atur reka bentuk PCB penukar BUCK

3.1Skim diskret

Tiub atas dan bawah menggunakan MOSFET kuasa diskret, dan terdapat dua susun atur biasa tiub atas dan bawah:

(1) Paip atas dan paip bawah adalah mendatar dan menegak pada 90 darjah, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4;

(2) Paip atas dan paip bawah disusun secara mendatar, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5.

Prinsip asasnya ialah: mula-mula susun litar kuasa utama, terutamanya kapasitor input dan litar MOSFET kuasa, kemudian letakkan litar induktor dan kapasitor keluaran, dengan mengambil kira pembahagian tanah kuasa dan tanah isyarat kecil; Akhir sekali, pada bahagian bawah isyarat kecil, letakkan garis isyarat yang berkaitan.

(a) 优化布局

(b) 较差布局

图4：垂直排列分立器件BUCK布局

Kedua-dua susun atur dalam rajah. 4, gelung input dan tanah input dalam rajah. 4(a), jauh lebih kecil daripada dalam rajah. 4(b), jadi susun atur dalam rajah. 4(a) adalah lebih dioptimumkan.

(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

Dalam susun atur Rajah 5, Cin adalah jauh, dan gelung input dan tanah input agak besar, tetapi susun atur ini sesuai untuk sambungan selari berbilang tiub, dan gelung semasa litar BUCK boleh dikurangkan dengan menambah frekuensi tinggi kapasitor penapis di belakang PCB.

3.2 Skim integrasi

Skim penyepaduan merujuk kepada IC penukar BUCK yang mengintegrasikan tiub atas dan tiub bawah. Reka bentuk berikut datang daripada reka letak yang disyorkan oleh beberapa helaian data peranti pengeluar dan reka bentuk sebenar beberapa jurutera pelanggan.

Prinsip asas adalah sama seperti di atas: mula-mula meletakkan litar kuasa utama, terutamanya kapasitor input dan litar tanah IC, kemudian letakkan kapasitor keluaran, memandangkan pembahagian tanah kuasa dan tanah isyarat kecil; Akhir sekali, pada bahagian bawah isyarat kecil, letakkan garis isyarat yang berkaitan.

 (a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

Rajah 6：SOT23几种PCB布局

Mengikut kaedah analisis rajah. 4, laluan semasa tiub atas hidup dan mati dalam rajah. 6 masing-masing dilukis, dan boleh didapati bahawa:

(1) laluan semasa dalam rajah. 6(a) hendaklah melalui bahagian bawah IC dan kembali ke dasar kapasitor input di bawah. laluan semasa adalah panjang, dan tanah kuasa (kawasan sudut kiri atas pin GND IC) dan tanah isyarat kecil (kawasan kanan pin GND IC) juga harus dibahagikan dengan ketat. kelebihannya ialah nod suis SW disambungkan terus ke induktor di tingkat atas.

(2) Laluan semasa dalam Rajah 6(b) adalah yang terpendek, dan pembumian kuasa (kawasan sudut kiri atas PGND pin GND IC) dan tanah isyarat kecil (kawasan kanan SGND bagi pin GND IC) dibahagikan dengan ketat , seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7. Kelemahannya ialah nod suis SW disambungkan kepada induktor melalui lubang melalui.

Rajah 7:SOT23布局2电流路径

(3) dalam rajah. 6(c), komponen berhampiran pin kanan IC, perintang dan kapasitor yang disambungkan ke pin BOOT menjadikan tanah kapasitor keluaran tidak kembali terus ke pin GND IC. Terdapat dua litar untuk sambungan antara tanah kapasitor keluaran dan pin GND IC: satu melalui lubang melalui di bahagian bawah IC, lubang melalui berhampiran tanah kapasitor keluaran, dan satah tanah di bahagian bawah untuk membentuk litar sambungan; Yang lain ialah tanah kapasitor keluaran, yang dililit dari bawah IC ke pin GND IC dan tanah kapasitor input melalui kulit tembaga atas.Dalam reka bentuk susun atur ini, laluan semasa adalah yang paling panjang, tanah kuasa dan tanah isyarat kecil tidak dipisahkan, dan nod suis SW disambungkan kepada induktor melalui lubang melalui, jadi reka bentuk susun atur adalah lemah.Di bahagian bawah peranti SOT23, terdapat kulit tembaga dengan ciri elektrik yang dibumikan. Pada pad PCB yang sepadan, pelbagai vias boleh diletakkan, yang boleh disambungkan ke satah tanah lapisan bawah atau lapisan dalam untuk meningkatkan pelesapan haba. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8, di bawah keadaan yang dibenarkan, letakkan seberapa banyak vias yang mungkin, dan diameter vias hendaklah dipilih dengan sewajarnya untuk memastikan bahawa selepas pematerian, tiada timah akan bocor dan timah akan mengisi vias.

 Rajah 8:下部有铜皮SOT23 PCB布局

Rajah 9 menyenaraikan beberapa susun atur reka bentuk PCB pakej SO8. Pihak yang berminat boleh menganalisis kelebihan dan kekurangan mereka mengikut kaedah di atas.

(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

Penafian: Artikel ini diterbitkan semula daripada "Bekalan Kuasa Songge" untuk menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber dan pengarang asal semasa mencetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.