Layout e design de PCB do conversor Buck

1、Loop crítico e nós críticos de conversão BUCK

Não importa o tipo de conversor, a chave do design do layout da PCB é encontrar os principais circuitos e nós principais do sistema de circuitos. Então, quais são os principais circuitos e nós principais do sistema de circuitos? Geralmente, o loop com grande taxa de alteração de corrente di/dt e o nó com grande taxa de alteração de tensão dV/dt são os principais loops e nós principais, que devem ter prioridade no projeto de layout de PCB.

Quando o tubo superior do conversor BUCK é ligado e desligado, a corrente e a forma de onda de cada loop são mostradas na 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环路的电流波形

（d）开关点SW工作电压

（e）BUCK的工作电流环路

Capítulo 1:BUCK的工作电流环路及波形

Se L1 é chamado de loop de entrada, L2 é chamado de loop de saída; A fonte S do tubo inferior ao aterramento do capacitor de entrada é chamada de aterramento de entrada, e a fonte S do tubo inferior ao aterramento do capacitor de entrada e saída é chamada de aterramento de saída. Pode-se descobrir que:(1) A corrente em

1) O loop L1, incluindo o aterramento de entrada, é uma forma de onda de corrente de pulso. A borda inicial e a borda final da forma de onda atual têm uma taxa de mudança de corrente di/dt muito grande.(2) A corrente de

2) O circuito L2, incluindo o terra de saída, é equivalente à corrente contínua, e a onda triangular alternada com menor valor pico a pico é sobreposta. A borda inicial e a borda final da forma de onda atual têm menor taxa de mudança de corrente di/dt.

Portanto, o loop de entrada com uma taxa de variação de corrente di/dt muito grande, ou seja, o loop L1, incluindo o terra de entrada, é a fonte de interferência da forte emissão de campo magnético.

Se você observar a forma de onda da tensão, a tensão de entrada, a tensão de saída e o circuito de aterramento são todas tensões estáveis, enquanto a tensão do nó de comutação SW produz uma taxa de mudança de tensão muito grande dV/dt durante o processo de abertura do tubo superior e fechamento, que é a fonte de interferência de forte emissão de campo elétrico.

2,Requisitos básicos de design e layout do conversor BUCK PCB

De acordo com o princípio de funcionamento do conversor BUCK, as características de corrente de cada loop e as características de tensão dos nós de comutação, é fácil obter os princípios básicos do layout da PCB do conversor BUCK:

(1) O circuito de entrada L1, incluindo o aterramento de entrada, deve ser o mais curto possível, ou seja, o terminal positivo do capacitor de entrada CIN deve estar o mais próximo possível do dreno D do tubo superior, e o terminal de aterramento do capacitor de entrada CIN deve estar o mais próximo possível da fonte S do tubo inferior. A fiação do loop deve ser a mais espessa possível, de modo a reduzir a indutância parasita do loop e a interferência do campo magnético.Se necessário, coloque um capacitor cerâmico de desacoplamento de pequeno porte na distância mais próxima entre o dreno D do tubo superior e a fonte S do tubo inferior.O circuito de entrada é o mais curto possível e a fiação é grossa, o que pode reduzir a resistência parasita e a perda de condução, o que é benéfico para a dissipação de calor.

(2) O circuito de saída L2, incluindo o aterramento de saída, tem pouca interferência no campo magnético, mas a corrente de saída geralmente é relativamente grande. É necessário reduzir o circuito tanto quanto possível e tornar a fiação o mais espessa possível para reduzir a resistência parasita e a perda de condução, o que também contribui para a dissipação de calor e melhora a eficiência do sistema. Até certo ponto, a interferência do campo magnético também pode ser reduzida.

(3) A área do SW do nó de comutação deve ser a menor possível, de modo a reduzir a capacitância parasita do nó e a interferência do campo elétrico. No entanto, este nó deve ser pavimentado com revestimento de cobre para fortalecer a dissipação de calor do MOSFET de potência. Portanto, é necessário encontrar um equilíbrio entre a dissipação de calor e o projeto EMI (Electric Field Emission Interference) e, quando necessário, um circuito de absorção deve ser adicionado para reduzir a taxa de mudança de tensão.

Outras considerações são:

(4) Todos os sinais de feedback e pequenos sinais analógicos devem ser mantidos longe dos circuitos e nós acima com grande interferência, e uma fiação mais fina deve ser usada tanto quanto possível. Não flua corrente de comutação sob o IC de controle ou conversor. O sinal de amostragem de corrente deve ser conectado em Kevin, e a rede de filtro RC do sinal de amostragem de corrente deve estar o mais próximo possível dos pinos do IC.

图2:电流取样信号

(5) O aterramento dos capacitores de entrada e saída é conectado ao plano de aterramento da camada inferior ou interna através de múltiplas vias. Se a parte inferior do dispositivo tiver revestimento de cobre com características elétricas de aterramento, ele também poderá ser conectado ao plano de aterramento da camada inferior ou interna através de múltiplas vias para aumentar a dissipação de calor.

(6) A fonte de alimentação CC e o aterramento CC, equivalentes ao aterramento CA, podem proteger os sinais de interferência, portanto, não os divida tanto quanto possível. Se a segmentação for inevitável, reduza o número e o comprimento das linhas de sinal tanto quanto possível e isole os pequenos sinais de grandes planos de sinal por CA, tanto quanto possível.

(7) O loop de acionamento do gate do MOSFET de potência deve ser o mais curto possível e a fiação paralela deve ser usada. A fonte D e o dreno S do MOSFET são conectados com cobre tanto quanto possível, conforme mostrado na Figura 3.

(a) 好的布线 (b) 不好布线 

图3: 功率MOSFET的布线

(8) O sistema de fonte de alimentação da placa de 2 camadas, a camada superior é o componente e a camada do loop de energia, e a camada inferior é o pequeno sinal e a camada do plano de aterramento. Placa de 4 ou 6 camadas, o seguinte esquema pode ser adotado.

Exemplo 1:4º anoCadaCamadadistribuição

Exemplo 2:6º anoCadaCamadadistribuição

3,Exemplo de layout de design de PCB do conversor BUCK

3.1Esquema discreto

Os tubos superior e inferior adotam MOSFET de potência discreto e existem dois layouts comuns dos tubos superior e inferior:

(1) O tubo superior e o tubo inferior são horizontais e verticais a 90 graus, conforme mostrado na Figura 4;

(2) O tubo superior e o tubo inferior estão dispostos horizontalmente, conforme mostrado na Figura 5.

O princípio básico é: primeiro desenhe o circuito de potência principal, especialmente o capacitor de entrada e o circuito MOSFET de potência, depois desenhe o circuito do indutor e do capacitor de saída, considerando a divisão do aterramento de potência e do aterramento de pequeno sinal; Finalmente, no lado do terra do pequeno sinal, estabeleça as linhas de sinal relevantes.

(a) 优化布局

(b) 较差布局

图4:垂直排列分立器件BUCK布局

Os dois layouts na fig. 4, o loop de entrada e o terra de entrada na fig. 4(a), são muito menores que os da fig. 4(b), então o layout na fig. 4 (a) é mais otimizado.

(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

No layout da Figura 5, Cin está longe, e o loop de entrada e o aterramento de entrada são relativamente grandes, mas este layout é adequado para conexão paralela de vários tubos, e o loop de corrente do circuito BUCK pode ser reduzido adicionando alta frequência capacitor de filtro na parte traseira do PCB.

3.2 Esquema de integração

O esquema de integração refere-se ao conversor BUCK IC que integra o tubo superior e o tubo inferior. Os projetos a seguir vêm do layout recomendado pelas planilhas de dados de dispositivos de alguns fabricantes e dos projetos reais de alguns engenheiros de clientes.

O princípio básico é o mesmo acima: primeiro desenhe o circuito de alimentação principal, especialmente o capacitor de entrada e o circuito de aterramento do IC, depois desenhe o capacitor de saída, considerando a divisão do aterramento de potência e do aterramento de pequeno sinal; Finalmente, no lado do terra do pequeno sinal, estabeleça as linhas de sinal relevantes.

 (a) 布局1

 (b) 布局2

(c) 布局3

图6:SOT23几种PCB布局

De acordo com o método de análise da fig. 4, os caminhos de corrente do tubo superior ligados e desligados na fig. 6 são sorteados respectivamente, e pode-se descobrir que:

(1) o caminho atual na fig. 6(a) deve passar pela parte inferior do IC e retornar ao terra do capacitor de entrada abaixo. o caminho da corrente é longo e o aterramento de energia (a área do canto superior esquerdo do pino GND do IC) e o aterramento do pequeno sinal (a área direita do pino GND do IC) também devem ser estritamente divididos. a vantagem é que o nó da chave SW está diretamente conectado ao indutor no andar superior.

(2) O caminho da corrente na Figura 6 (b) é o mais curto, e o aterramento de energia (a área do canto superior esquerdo PGND do pino GND do IC) e o aterramento do pequeno sinal (a área direita SGND do pino GND do IC) são estritamente divididos , conforme mostrado na Figura 7. A desvantagem é que o nó da chave SW está conectado ao indutor através de um orifício de passagem.

Figura 7:SOT23布局2电流路径

(3) na fig. 6 (c), os componentes próximos ao pino direito do IC, um resistor e um capacitor conectado ao pino BOOT fazem com que o terra do capacitor de saída não retorne diretamente ao pino GND do IC. Existem dois circuitos para a conexão entre o terra do capacitor de saída e o pino GND do IC: um é através do orifício de passagem na parte inferior do IC, o orifício de passagem próximo ao terra do capacitor de saída e o plano de aterramento na parte inferior para formar um circuito de conexão; O outro é o aterramento do capacitor de saída, que é enrolado sob o IC até o pino GND do IC e o aterramento do capacitor de entrada através da camada de cobre superior.Neste projeto de layout, o caminho da corrente é o mais longo, o aterramento de energia e o aterramento de pequeno sinal não são particionados e o SW do nó da chave é conectado ao indutor através do orifício de passagem, portanto, o projeto do layout é ruim.Na parte inferior do dispositivo SOT23, há uma capa de cobre com características elétricas aterradas. Na almofada correspondente do PCB, várias vias podem ser colocadas, que podem ser conectadas ao plano de aterramento da camada inferior ou da camada interna para aumentar a dissipação de calor. Conforme mostrado na Figura 8, sob as condições permitidas, coloque tantas vias quanto possível, e o diâmetro das vias deve ser selecionado adequadamente para garantir que, após a soldagem, nenhum estanho vaze e o estanho preencha as vias.

 Figura 8:下部有铜皮SOT23 PCB布局

A Figura 9 lista vários layouts de design de PCB do pacote SO8. Os interessados podem analisar suas vantagens e desvantagens de acordo com os métodos acima.

(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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