Układ i projekt PCB konwertera Buck

1. Pętla krytyczna i węzły krytyczne konwersji BUCK

Bez względu na typ konwertera, kluczem do projektowania układu PCB jest znalezienie kluczowych obwodów i kluczowych węzłów układu obwodów. Jakie są zatem kluczowe obwody i kluczowe węzły układu obwodów? Ogólnie rzecz biorąc, pętla o dużej szybkości zmiany prądu di/dt i węzeł o dużej szybkości zmiany napięcia dV/dt to kluczowe pętle i kluczowe węzły, którym należy nadać priorytet przy projektowaniu układu PCB.

Kiedy górna rurka przetwornika BUCK jest włączana i wyłączana, prąd i przebieg każdej pętli pokazano na rysunku 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

1: BUCK的工作电流环路及波形

Jeżeli L1 nazywa się pętlą wejściową, L2 nazywa się pętlą wyjściową; Źródło S dolnej rury do masy kondensatora wejściowego nazywane jest masą wejściową, a źródło S dolnej rury do masy kondensatora wejściowego i wyjściowego nazywane jest masą wyjściową. Można stwierdzić, że:(1) Prąd w

1) Pętla L1, łącznie z masą wejściową, jest przebiegiem prądu impulsowego. Zbocze narastające i zbocze opadające przebiegu prądu charakteryzują się bardzo dużą szybkością zmian prądu di/dt.(2) Prąd

2) Obwód L2, łącznie z masą wyjściową, jest równoważny prądowi stałemu i nakłada się na niego zmienna fala trójkątna o mniejszej wartości międzyszczytowej. Zbocze narastające i tylne przebiegu prądu mają mniejszą szybkość zmian prądu di/dt.

Dlatego pętla wejściowa o bardzo dużej szybkości zmiany prądu di/dt, czyli pętla L1 wraz z masą wejściową, jest źródłem zakłóceń emisji silnego pola magnetycznego.

Jeśli spojrzeć na przebieg napięcia, napięcie wejściowe, napięcie wyjściowe i obwód masy są napięciami stabilnymi, podczas gdy napięcie węzła przełączającego SW wytwarza bardzo dużą szybkość zmiany napięcia dV/dt podczas procesu otwierania górnej rury i zamykania, co jest źródłem zakłóceń emisji silnego pola elektrycznego.

2,Podstawowe wymagania projektowe i układowe PCB konwertera BUCK

Zgodnie z zasadą działania konwertera BUCK, charakterystyką prądową każdej pętli i charakterystyką napięciową węzłów przełączających, łatwo jest uzyskać podstawowe zasady układu PCB konwertera BUCK:

(1) Pętla wejściowa L1 wraz z masą wejściową powinna być jak najkrótsza, tzn. biegun dodatni kondensatora wejściowego CIN powinien znajdować się jak najbliżej drenu D górnej lampy, a zacisk masy kondensatora wejściowego CIN powinien znajdować się jak najbliżej źródła S dolnej lampy. Okablowanie pętli powinno być możliwie najgrubsze, aby zredukować pasożytniczą indukcyjność pętli i zakłócenia pola magnetycznego.Jeśli to konieczne, umieść mały kondensator ceramiczny odsprzęgający w najbliższej odległości pomiędzy drenem D górnej rury i źródłem S dolnej rury.Obwód wejściowy jest tak krótki, jak to możliwe, a okablowanie grube, co może zmniejszyć opór błądzący i straty przewodzenia, co jest korzystne z punktu widzenia rozpraszania ciepła.

(2) Pętla wyjściowa L2, łącznie z masą wyjściową, charakteryzuje się niewielkimi zakłóceniami pola magnetycznego, ale prąd wyjściowy jest zwykle stosunkowo duży. Konieczne jest maksymalne ograniczenie pętli i wykonanie jak najgrubszego okablowania, aby zmniejszyć opór błądzący i straty przewodzenia, co również sprzyja rozpraszaniu ciepła i poprawie wydajności systemu. W pewnym stopniu można również zmniejszyć zakłócenia pola magnetycznego.

(3) Powierzchnia węzła przełączającego SW powinna być jak najmniejsza, aby zmniejszyć pojemność pasożytniczą węzła i zakłócenia pola elektrycznego. Jednak ten węzeł powinien być pokryty miedzianą powłoką, aby wzmocnić odprowadzanie ciepła przez tranzystor MOSFET mocy. Dlatego konieczne jest znalezienie równowagi między odprowadzaniem ciepła a konstrukcją EMI (zakłóceniami emisji pola elektrycznego), a w razie potrzeby należy dodać obwód absorpcyjny w celu zmniejszenia szybkości zmian napięcia.

Inne uwagi to:

(4) Wszystkie sygnały sprzężenia zwrotnego i małe sygnały analogowe należy trzymać z dala od powyższych obwodów i węzłów o dużych zakłóceniach, a w miarę możliwości należy stosować cieńsze okablowanie. Nie przepływać prądu przełączającego pod układem sterowania lub konwerterem. Aktualny sygnał próbkujący powinien być podłączony do Kevina, a sieć filtrów RC bieżącego sygnału próbkującego powinna znajdować się jak najbliżej pinów układu scalonego.

图2:电流取样信号

(5) Uziemienie kondensatorów wejściowych i wyjściowych jest połączone z płaszczyzną uziemienia dolnej lub wewnętrznej warstwy poprzez wiele przelotek. Jeśli spód urządzenia ma miedzianą powłokę z elektryczną charakterystyką uziemienia, można je również podłączyć do płaszczyzny uziemienia dolnej lub wewnętrznej warstwy za pomocą wielu przelotek, aby poprawić odprowadzanie ciepła.

(6) Zasilanie prądem stałym i uziemienie prądu stałego, równoważne uziemieniu prądu przemiennego, mogą ekranować sygnały zakłócające, dlatego nie należy ich dzielić tak bardzo, jak to możliwe. Jeśli segmentacja jest nieunikniona, zmniejsz liczbę i długość linii sygnałowych tak bardzo, jak to możliwe i izoluj małe sygnały od dużych płaszczyzn sygnałowych za pomocą prądu przemiennego.

(7) Pętla sterowania bramką tranzystora MOSFET powinna być jak najkrótsza, a połączenia powinny być równoległe. Źródło D i dren S tranzystora MOSFET są w miarę możliwości połączone miedzią, jak pokazano na rysunku 3.

(a) 好的布线 (b) 不好布线 

3: Przełącz MOSFET 的 线

(8) System zasilania składający się z płyty 2-warstwowej, górna warstwa to warstwa komponentów i pętli mocy, a dolna warstwa to mała warstwa sygnału i płaszczyzny uziemienia. W przypadku płyty 4-warstwowej lub 6-warstwowej można zastosować następujący schemat.

Tabela 1:4 miesiącekażdyWarstwadystrybucja

Tabela 2:6 miesiącekażdyWarstwadystrybucja

3,Przykładowy projekt PCB konwertera BUCK

3.1Dyskretny schemat

Górna i dolna lampa wykorzystują dyskretny tranzystor MOSFET. Istnieją dwa powszechne układy górnej i dolnej lampy:

(1) Górna i dolna rura są ustawione poziomo i pionowo pod kątem 90 stopni, jak pokazano na rysunku 4;

(2) Rura górna i rura dolna są ułożone poziomo, jak pokazano na rysunku 5.

Podstawowa zasada jest taka: najpierw należy rozplanować główny obwód zasilania, szczególnie kondensator wejściowy i obwód MOSFET-u, następnie należy rozplanować obwód cewki i kondensatora wyjściowego, biorąc pod uwagę podział masy zasilania i masy małego sygnału; Na koniec po stronie uziemienia małego sygnału ułóż odpowiednie linie sygnałowe.

(a) 优化布局

(b) 较差布局

4:垂直排列分立器件BUCK布局

Dwa układy na ryc. 4, pętla wejściowa i masa wejściowa na ryc. 4(a), są znacznie mniejsze niż te na ryc. 4(b), więc układ na ryc. 4(a) jest bardziej zoptymalizowany.

(a) 顶层布局

(b) 高频电容

c) 高频电容放置背面底层

5:水平排列分立器件BUCK布局

W układzie z rysunku 5 Cin jest daleko, a pętla wejściowa i masa wejściowa są stosunkowo duże, ale ten układ jest odpowiedni do równoległego połączenia wielu lamp, a pętlę prądową obwodu BUCK można zmniejszyć, dodając wysoką częstotliwość kondensator filtrujący z tyłu PCB.

3.2 Schemat integracji

Schemat integracji odnosi się do układu scalonego konwertera BUCK, który integruje górną rurę i dolną rurę. Poniższe projekty pochodzą z układu zalecanego w arkuszach danych urządzeń niektórych producentów i rzeczywistych projektów niektórych inżynierów klientów.

Podstawowa zasada jest taka sama jak powyżej: najpierw rozplanuj główny obwód zasilania, zwłaszcza kondensator wejściowy i obwód uziemienia układu scalonego, następnie rozłóż kondensator wyjściowy, biorąc pod uwagę podział masy mocy i masy małego sygnału; Na koniec po stronie uziemienia małego sygnału ułóż odpowiednie linie sygnałowe.

 (a) 1

 (b) 2

(c) 3

6: SOT23 i PCB PCB

Zgodnie z metodą analizy przedstawioną na ryc. 4, ścieżki prądowe górnej rury włączającej i wyłączającej na ryc. Wylosowano odpowiednio 6 i można stwierdzić, że:

(1) bieżąca ścieżka na ryc. 6(a) powinien przejść przez dolną część układu scalonego i powrócić do masy kondensatora wejściowego znajdującego się poniżej. ścieżka prądowa jest długa, a masa zasilania (lewy górny róg pinu GND układu scalonego) i mała masa sygnałowa (prawy obszar pinu GND układu scalonego) również powinny być ściśle podzielone. zaletą jest to, że węzeł przełączający SW jest bezpośrednio podłączony do cewki indukcyjnej na najwyższym piętrze.

(2) Ścieżka prądowa na rysunku 6(b) jest najkrótsza, a masa zasilania (obszar PGND w lewym górnym rogu pinu GND układu scalonego) i mała masa sygnałowa (prawy obszar SGND pinu GND układu scalonego) są ściśle podzielone , jak pokazano na rysunku 7. Wadą jest to, że węzeł przełączający SW jest podłączony do cewki indukcyjnej przez otwór przelotowy.

obraz 7:SOT23布局2电流路径

(3) na ryc. 6(c), elementy w pobliżu prawego pinu układu scalonego, rezystor i kondensator podłączone do styku BOOT sprawiają, że masa kondensatora wyjściowego nie wraca bezpośrednio do styku GND układu scalonego. Istnieją dwa obwody połączenia między masą kondensatora wyjściowego a stykiem GND układu scalonego: jeden przez otwór przelotowy w dolnej części układu scalonego, otwór przelotowy w pobliżu masy kondensatora wyjściowego i płaszczyznę uziemienia na dole, aby utworzyć obwód łączący; Drugi to masa kondensatora wyjściowego, która jest uzwojona spod układu scalonego do styku GND układu scalonego i masa kondensatora wejściowego przez górną miedzianą powłokę.W tym projekcie układu ścieżka prądowa jest najdłuższa, masa zasilania i masa małego sygnału nie są podzielone, a węzeł przełączający SW jest podłączony do cewki indukcyjnej przez otwór przelotowy, więc projekt układu jest kiepski.W dolnej części urządzenia SOT23 znajduje się miedziana osłona z uziemioną charakterystyką elektryczną. Na odpowiedniej podkładce PCB można ułożyć wiele przelotek, które można połączyć z płaszczyzną uziemienia dolnej warstwy lub warstwy wewnętrznej, aby poprawić odprowadzanie ciepła. Jak pokazano na rysunku 8, w dozwolonych warunkach należy ułożyć jak najwięcej przelotek, a średnicę przelotek należy odpowiednio dobrać, aby po lutowaniu cyna nie wyciekła i cyna nie wypełniła przelotek.

 obraz 8:下部有铜皮SOT23 PCB布局

Rysunek 9 przedstawia kilka układów PCB pakietu SO8. Zainteresowani mogą analizować swoje zalety i wady zgodnie z powyższymi metodami.

(a) 1

 (b) 2

(c) 3

9:下部有铜皮SO8几种PCB布局

Zastrzeżenie: Ten artykuł został skopiowany z „Songge Power Supply” w celu wsparcia ochrony praw własności intelektualnej. Przy przedruku proszę podać oryginalne źródło i autora. Jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć.