PCB-indeling en -ontwerp van de Buck-converter

1. Kritieke lus en kritieke knooppunten van BUCK-conversie

Ongeacht welk type converter het is, de sleutel bij het ontwerpen van de PCB-lay-out is het vinden van de belangrijkste circuits en belangrijkste knooppunten van het circuitsysteem. Dus wat zijn de belangrijkste circuits en belangrijkste knooppunten van het circuitsysteem? Over het algemeen zijn de lus met de grote stroomveranderingssnelheid di/dt en het knooppunt met de grote spanningsveranderingssnelheid dV/dt de belangrijkste lussen en belangrijkste knooppunten, waaraan prioriteit moet worden gegeven bij het ontwerp van de PCB-lay-out.

Wanneer de bovenste buis van de BUCK-converter wordt in- en uitgeschakeld, worden de stroom en golfvorm van elke lus weergegeven in figuur 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

Als L1 de ingangslus wordt genoemd, wordt L2 de uitgangslus genoemd; De S-bron van de onderste buis naar de aarde van de ingangscondensator wordt de ingangsaarde genoemd, en de S-bron van de onderste buis naar de aarde van de ingangs- en uitgangscondensator wordt de uitgangsaarde genoemd. Er kan worden vastgesteld dat:(1) De stroom in

1)L1-lus, inclusief de ingangsaarde, is een pulsstroomgolfvorm. De voorflank en de achterflank van de huidige golfvorm hebben een zeer grote stroomveranderingssnelheid di/dt.(2) De stroom van

2) Het L2-circuit, inclusief de uitgangsaarde, is gelijk aan de gelijkstroom, en de wisselende driehoekige golf met een kleinere piek-tot-piekwaarde wordt over elkaar heen gelegd. De voorflank en achterflank van de huidige golfvorm hebben een kleinere stroomveranderingssnelheid di/dt.

Daarom is de ingangslus met een zeer grote stroomveranderingssnelheid di/dt, dat wil zeggen de L1-lus, inclusief de ingangsaarde, de interferentiebron van sterke magnetische veldemissie.

Als je naar de spanningsgolfvorm kijkt, zijn de ingangsspanning, de uitgangsspanning en het aardcircuit allemaal stabiele spanningen, terwijl de spanning van het schakelknooppunt SW een zeer grote spanningsveranderingssnelheid dV/dt produceert tijdens het proces van het openen van de bovenste buis. en sluiten, wat de interferentiebron is van sterke elektrische veldemissie.

2,Basisontwerp- en lay-outvereisten van BUCK-converter-PCB

Volgens het werkingsprincipe van de BUCK-converter, de stroomkarakteristieken van elke lus en de spanningskarakteristieken van schakelknooppunten, is het eenvoudig om de basisprincipes van de PCB-indeling van de BUCK-converter te verkrijgen:

(1) De ingangslus L1, inclusief de ingangsaarde, moet zo kort mogelijk zijn, dat wil zeggen dat de positieve pool van de ingangscondensator CIN zo dicht mogelijk bij de drain D van de bovenste buis moet zijn, en de aardeterminal van de ingangscondensator CIN moet zo dicht mogelijk bij de bron S van de onderste buis liggen. De bedrading van de lus moet zo dik mogelijk zijn, om de parasitaire inductie van de lus en de interferentie van het magnetische veld te verminderen.Plaats indien nodig een kleine ontkoppelende keramische condensator op de dichtstbijzijnde afstand tussen de drain D van de bovenste buis en de source S van de onderste buis.Het ingangscircuit is zo kort mogelijk en de bedrading is dik, wat de zwerfweerstand en geleidingsverlies kan verminderen, wat gunstig is voor de warmteafvoer.

(2) De uitgangslus L2, inclusief de uitgangsaarde, heeft weinig magnetische veldinterferentie, maar de uitgangsstroom is meestal relatief groot. Het is noodzakelijk om de lus zo veel mogelijk te verkleinen en de bedrading zo dik mogelijk te maken om de zwerfweerstand en geleidingsverlies te verminderen, wat ook bevorderlijk is voor de warmteafvoer en de efficiëntie van het systeem verbetert. Tot op zekere hoogte kan ook de magnetische veldinterferentie worden verminderd.

(3) Het oppervlak van het schakelknooppunt SW moet zo klein mogelijk zijn, om de parasitaire capaciteit van het knooppunt en de interferentie van het elektrische veld te verminderen. Dit knooppunt moet echter worden voorzien van een koperen bekleding om de warmteafvoer van de vermogens-MOSFET te verbeteren. Daarom is het noodzakelijk om een evenwicht te vinden tussen warmteafvoer en EMI (Electric Field Emission Interference)-ontwerp, en indien nodig moet een absorptiecircuit worden toegevoegd om de spanningsverandering te verminderen.

Andere overwegingen zijn:

(4) Alle feedbacksignalen en analoge kleine signalen moeten uit de buurt worden gehouden van de bovengenoemde circuits en knooppunten met grote interferentie, en er moet zoveel mogelijk dunnere bedrading worden gebruikt. Laat geen schakelstroom onder het besturings-IC of de omzetter stromen. Het huidige bemonsteringssignaal moet in Kevin worden aangesloten en het RC-filternetwerk van het huidige bemonsteringssignaal moet zo dicht mogelijk bij de IC-pinnen liggen.

Figuur 2: 电流取样信号

(5) De aarding van de ingangs- en uitgangscondensatoren is via meerdere via's verbonden met het aardvlak van de onderste of binnenlaag. Als de onderkant van het apparaat een koperen huid heeft met elektrische aardingseigenschappen, kan deze ook via meerdere via's worden aangesloten op het aardvlak van de onder- of binnenlaag om de warmteafvoer te verbeteren.

(6) DC-voeding en DC-aarde, gelijkwaardig aan AC-aarde, kunnen interferentiesignalen afschermen, dus verdeel ze niet zo veel mogelijk. Als segmentatie onvermijdelijk is, verklein dan het aantal en de lengte van de signaallijnen zoveel mogelijk, en isoleer kleine signalen zoveel mogelijk van grote signaalvlakken door AC.

(7) De Gate-aanstuurlus van de vermogens-MOSFET moet zo kort mogelijk zijn en er moet parallelle bedrading worden gebruikt. De source D en drain S van de MOSFET zijn zoveel mogelijk met koper bedraad, zoals weergegeven in Figuur 3.

(a) 好的布线 (b) 不好布线 

Figuur 3: een MOSFET-printer

(8) Het voedingssysteem van een tweelaags bord, de bovenste laag is de component- en stroomluslaag, en de onderste laag is de kleine signaal- en aardvlaklaag. 4-laags of 6-laags bord, het volgende schema kan worden toegepast.

表1:4 uurElklaagdistributie

表2:6 uurElklaagdistributie

3,Voorbeeld van PCB-ontwerplay-out van BUCK-converter

3.1Discreet schema

De bovenste en onderste buizen zijn voorzien van een discrete power-MOSFET. Er zijn twee veelvoorkomende configuraties van de bovenste en onderste buizen:

(1) De bovenste buis en de onderste buis zijn horizontaal en verticaal onder een hoek van 90 graden, zoals weergegeven in figuur 4;

(2) De bovenste buis en de onderste buis zijn horizontaal gerangschikt, zoals weergegeven in Figuur 5.

Het basisprincipe is: leg eerst het hoofdvoedingscircuit vast, met name de ingangscondensator en het vermogens-MOSFET-circuit, leg vervolgens het spoel- en uitgangscondensatorcircuit vast, rekening houdend met de verdeling van de vermogensaarde en de kleine signaalaarde; Leg ten slotte aan de zijde van de kleine signaalaarde de relevante signaallijnen uit.

(a) 优化布局

(b) 较差布局

图4:垂直排列分立器件BUCK布局

De twee indelingen in Fig. 4, de ingangslus en de ingangsaarde in Fig. 4(a), zijn veel kleiner dan die in Fig. 4(b), dus de lay-out in Fig. 4(a) is meer geoptimaliseerd.

(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

In de lay-out van figuur 5 is Cin ver weg en zijn de ingangslus en ingangsaarde relatief groot, maar deze lay-out is geschikt voor parallelle verbinding met meerdere buizen, en de stroomlus van het BUCK-circuit kan worden verminderd door hoogfrequente verbindingen toe te voegen filtercondensator aan de achterkant van de printplaat.

3.2 Integratieschema

Het integratieschema verwijst naar het BUCK-converter-IC dat de bovenbuis en de onderbuis integreert. De volgende ontwerpen komen uit de lay-out die wordt aanbevolen door de apparaatgegevensbladen van sommige fabrikanten en de daadwerkelijke ontwerpen van sommige klantingenieurs.

Het basisprincipe is hetzelfde als hierboven: leg eerst het hoofdstroomcircuit aan, vooral de ingangscondensator en het IC-aardcircuit, en leg vervolgens de uitgangscondensator neer, rekening houdend met de verdeling van stroomaarde en kleine signaalaarde; Leg ten slotte aan de zijde van de kleine signaalaarde de relevante signaallijnen uit.

 (a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

Figuur 6: SOT23-PCB-behuizing

Volgens de analysemethode van Fig. 4, de stroompaden van de bovenste buis aan en uit in Fig. 6 zijn respectievelijk getekend, en er kan worden vastgesteld dat:

(1) het huidige pad in Fig. 6(a) moet door de onderkant van het IC gaan en terugkeren naar de aarde van de ingangscondensator eronder. het huidige pad is lang en de voedingsaarde (het gebied in de linkerbovenhoek van de GND-pin van het IC) en de kleine signaalaarde (het rechtergedeelte van de GND-pin van het IC) moeten ook strikt verdeeld zijn. het voordeel is dat het schakelknooppunt SW rechtstreeks is verbonden met de inductor op de bovenste verdieping.

(2) Het huidige pad in figuur 6(b) is het kortst, en de stroomaarde (het gebied in de linkerbovenhoek PGND van de GND-pin van het IC) en de kleine signaalaarde (het rechtergebied SGND van de GND-pin van het IC) zijn strikt verdeeld , zoals weergegeven in figuur 7. Het nadeel is dat het schakelknooppunt SW via een via-gat met de inductor is verbonden.

Figuur 7:SOT23布局2-koeler

(3) op afb. 6(c) zorgen de componenten nabij de rechter pin van het IC, een weerstand en een condensator verbonden met de BOOT-pin ervoor dat de aarde van de uitgangscondensator niet rechtstreeks terugkeert naar de GND-pin van het IC. Er zijn twee circuits voor de verbinding tussen de aarde van de uitgangscondensator en de GND-pin van het IC: één via het via-gat aan de onderkant van het IC, het via-gat nabij de aarde van de uitgangscondensator, en het aardvlak onderaan om een verbindingscircuit te vormen; De andere is de aarde van de uitgangscondensator, die van onder het IC naar de GND-pin van het IC wordt gewikkeld en de aarde van de ingangscondensator via de bovenste koperen huid.In dit lay-outontwerp is het stroompad het langst, zijn de stroomaarde en de kleine signaalaarde niet gescheiden en is het schakelknooppunt SW via het via-gat met de inductor verbonden, dus het lay-outontwerp is slecht.Aan de onderkant van het SOT23-apparaat bevindt zich een koperen huid met geaarde elektrische kenmerken. Op het overeenkomstige PCB-pad kunnen meerdere via's worden gelegd, die kunnen worden aangesloten op het aardvlak van de onderste laag of de binnenlaag om de warmteafvoer te verbeteren. Zoals getoond in Figuur 8, leg onder de toegestane omstandigheden zoveel mogelijk via's, en de diameter van de via's moet op de juiste manier worden gekozen om ervoor te zorgen dat er na het solderen geen tin zal lekken en tin de via's zal vullen.

 Figuur 8:Een SOT23 PCB-fabrikant

Figuur 9 geeft een overzicht van verschillende PCB-ontwerplay-outs van het SO8-pakket. Geïnteresseerde partijen kunnen hun voor- en nadelen analyseren volgens de bovenstaande methoden.

(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

Disclaimer: dit artikel is overgenomen uit "Songge Power Supply" ter ondersteuning van de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij herdruk de originele bron en auteur. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.