เค้าโครงและการออกแบบ PCB ของ Buck Converter

1、Critical loop และโหนดวิกฤตของ BUCK แปลง

ไม่ว่าจะเป็นตัวแปลงประเภทใด กุญแจสำคัญของการออกแบบโครงร่าง PCB คือการค้นหาวงจรสำคัญและโหนดสำคัญของระบบวงจร แล้ววงจรสำคัญและโหนดสำคัญของระบบวงจรคืออะไร? โดยทั่วไป ลูปที่มีอัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสสูง di/dt และโหนดที่มีอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าสูง dV/dt คือลูปคีย์และโหนดคีย์ ซึ่งควรให้ความสำคัญในการออกแบบโครงร่าง PCB

เมื่อเปิดและปิดท่อด้านบนของตัวแปลง BUCK กระแสและรูปคลื่นของแต่ละลูปจะแสดงในรูปที่ 1

（ก）上管แวว通的电流回路

（b）上管关断的电流回路

（c）L1และL2环路的电流波形

（ง）เริ่มต้น关โหนดSW工作电压

（e）BUCK ของ 工作电流环路

ภาพที่ 1：BUCK的工作电流环路及波形

ถ้า L1 เรียกว่าลูปอินพุต L2 จะเรียกว่าลูปเอาต์พุต แหล่งกำเนิด S ของท่อล่างถึงกราวด์ของตัวเก็บประจุอินพุตเรียกว่ากราวด์อินพุต และแหล่งกำเนิด S ของท่อล่างถึงกราวด์ของตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุตเรียกว่ากราวด์เอาต์พุต สามารถพบได้ว่า:(1) กระแสเข้า

1) ลูป L1 รวมถึงกราวด์อินพุตคือรูปคลื่นกระแสพัลส์ ขอบนำและขอบท้ายของรูปคลื่นปัจจุบันมีอัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสขนาดใหญ่มาก di/dt(2) กระแสของ

2) วงจร L2 รวมถึงกราวด์เอาท์พุต เทียบเท่ากับกระแสตรง และคลื่นสามเหลี่ยมสลับที่มีค่าพีคถึงพีคน้อยกว่าจะถูกซ้อนทับ ขอบนำหน้าและขอบท้ายของรูปคลื่นปัจจุบันมีอัตราการเปลี่ยนแปลงปัจจุบัน di/dt น้อยกว่า

ดังนั้น ลูปอินพุตที่มีอัตราการเปลี่ยนแปลงกระแสขนาดใหญ่มาก di/dt กล่าวคือ ลูป L1 รวมถึงกราวด์อินพุต จึงเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนของการปล่อยสนามแม่เหล็กแรงสูง

หากคุณดูที่รูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าอินพุต แรงดันเอาต์พุต และวงจรกราวด์ล้วนเป็นแรงดันไฟฟ้าที่เสถียร ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าของโหนดสวิตช์ SW ทำให้เกิดอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่มาก dV/dt ในระหว่างกระบวนการเปิดท่อด้านบน และการปิดซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนของการปล่อยสนามไฟฟ้ากำลังแรง

2,ข้อกำหนดการออกแบบและโครงร่างขั้นพื้นฐานของ PCB ตัวแปลง BUCK

ตามหลักการทำงานของตัวแปลง BUCK ลักษณะปัจจุบันของแต่ละลูปและลักษณะแรงดันไฟฟ้าของโหนดสวิตช์ ง่ายต่อการรับหลักการพื้นฐานของโครงร่าง PCB ตัวแปลง BUCK:

(1) ลูปอินพุต L1 รวมถึงกราวด์อินพุตควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ กล่าวคือ ขั้วบวกของตัวเก็บประจุอินพุต CIN ควรอยู่ใกล้กับท่อระบายน้ำ D ของท่อด้านบนมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และขั้วต่อกราวด์ ของตัวเก็บประจุอินพุต CIN ควรอยู่ใกล้กับแหล่งกำเนิด S ของท่อด้านล่างมากที่สุด การเดินสายไฟของลูปควรมีความหนามากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดการเหนี่ยวนำปรสิตของลูปและการรบกวนของสนามแม่เหล็กหากจำเป็น ให้วางตัวเก็บประจุเซรามิกแบบแยกส่วนขนาดเล็กที่ระยะห่างที่ใกล้ที่สุดระหว่างท่อระบาย D ของท่อด้านบนและแหล่งกำเนิด S ของท่อด้านล่างวงจรอินพุตสั้นที่สุดและสายไฟมีความหนา ซึ่งสามารถลดความต้านทานการจรจัดและการสูญเสียการนำไฟฟ้า ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการกระจายความร้อน

(2) ลูปเอาท์พุต L2 รวมถึงกราวด์เอาท์พุต มีการรบกวนสนามแม่เหล็กเล็กน้อย แต่กระแสเอาท์พุตมักจะค่อนข้างใหญ่ จำเป็นต้องลดการวนซ้ำให้มากที่สุด และทำให้สายไฟหนาที่สุดเพื่อลดความต้านทานการจรจัดและการสูญเสียการนำไฟฟ้า ซึ่งเอื้อต่อการกระจายความร้อนและปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบด้วย การรบกวนของสนามแม่เหล็กก็สามารถลดลงได้ในระดับหนึ่ง

(3) พื้นที่ของโหนดสวิตช์ SW ควรมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดความจุปรสิตของโหนดและการรบกวนของสนามไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม โหนดนี้ควรปูด้วยผิวทองแดงเพื่อเพิ่มการกระจายความร้อนของ MOSFET พลังงาน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสร้างสมดุลระหว่างการกระจายความร้อนและการออกแบบ EMI (การรบกวนการปล่อยสนามไฟฟ้า) และเมื่อจำเป็น ควรเพิ่มวงจรการดูดซับเพื่อลดอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า

ข้อควรพิจารณาอื่น ๆ ได้แก่ :

(4) สัญญาณตอบรับและสัญญาณอนาล็อกขนาดเล็กทั้งหมดควรอยู่ห่างจากวงจรและโหนดด้านบนที่มีการรบกวนขนาดใหญ่ และควรใช้สายไฟที่บางลงให้มากที่สุด ห้ามกระแสไฟสวิตชิ่งไหลภายใต้ไอซีควบคุมหรือคอนเวอร์เตอร์ สัญญาณการสุ่มตัวอย่างปัจจุบันควรเชื่อมต่อใน Kevin และเครือข่ายตัวกรอง RC ของสัญญาณการสุ่มตัวอย่างปัจจุบันควรอยู่ใกล้กับพินของ IC มากที่สุด

ภาพที่ 2：电流取样信号

(5) การต่อสายดินของตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุตเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์ของชั้นล่างหรือชั้นในผ่านจุดแวะหลายจุด หากด้านล่างของอุปกรณ์มีผิวทองแดงที่มีลักษณะทางไฟฟ้าของการต่อลงดิน ก็ยังสามารถเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์ของชั้นล่างหรือชั้นในผ่านจุดต่างๆ เพื่อเพิ่มการกระจายความร้อน

(6) แหล่งจ่ายไฟ DC และกราวด์ DC ซึ่งเทียบเท่ากับกราวด์ AC สามารถป้องกันสัญญาณรบกวนได้ ดังนั้นอย่าแบ่งสัญญาณให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หากไม่สามารถหลีกเลี่ยงการแบ่งส่วนได้ ให้ลดจำนวนและความยาวของสายสัญญาณให้มากที่สุด และแยกสัญญาณขนาดเล็กออกจากระนาบสัญญาณขนาดใหญ่โดยใช้ AC ให้มากที่สุด

(7) วงจรขับเคลื่อนเกตเกตของ MOSFET กำลังควรสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ และควรใช้การเดินสายแบบขนาน แหล่งกำเนิด D และเดรน S ของ MOSFET ถูกต่อเข้ากับทองแดงให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ดังแสดงในรูปที่ 3

(a) 好的布线 (b) 不好布线 

ภาพที่ 3：功率MOSFET ของ 布线

(8) ระบบจ่ายไฟของบอร์ด 2 ชั้น ชั้นบนสุดเป็นส่วนประกอบและชั้นลูปกำลัง และชั้นล่างเป็นชั้นสัญญาณขนาดเล็กและชั้นระนาบกราวด์ บอร์ด 4 ชั้นหรือ 6 ชั้น สามารถใช้โครงร่างต่อไปนี้ได้

ตารางที่ 1:4层板แต่ละชั้นการกระจาย

ตารางที่ 2:6层板แต่ละชั้นการกระจาย

3,ตัวอย่างโครงร่างการออกแบบ PCB ของตัวแปลง BUCK

3.1โครงการไม่ต่อเนื่อง

ท่อด้านบนและด้านล่างใช้ MOSFET กำลังแยกกัน และมีโครงร่างทั่วไปสองแบบของท่อด้านบนและด้านล่าง:

(1) ท่อบนและท่อล่างเป็นแนวนอนและแนวตั้งที่ 90 องศา ดังแสดงในรูปที่ 4

(2) วางท่อบนและท่อล่างในแนวนอน ดังแสดงในรูปที่ 5

หลักการพื้นฐานคือ: ขั้นแรกให้วางวงจรไฟฟ้าหลัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวเก็บประจุอินพุตและวงจร MOSFET พลังงาน จากนั้นจึงจัดวางวงจรตัวเก็บประจุตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเอาต์พุต โดยพิจารณาถึงการแบ่งกราวด์ของกำลังและกราวด์สัญญาณขนาดเล็ก สุดท้าย ในด้านกราวด์สัญญาณขนาดเล็ก ให้วางสายสัญญาณที่เกี่ยวข้อง

(ก) 优化布局

(ข) 较差布局

ภาพที่ 4：垂直排列分立器件BUCK布局

เค้าโครงทั้งสองในรูป 4, ลูปอินพุตและกราวด์อินพุตในรูป 4(a) มีขนาดเล็กกว่าในรูปมาก 4(b) ดังนั้นเค้าโครงในรูป 4(a) ได้รับการปรับให้เหมาะสมยิ่งขึ้น

(ก) 顶层布局

(ข) 高频电容

(ค) 高频电容放置背เลดี้底层

ภาพที่ 5：水平排列分立器件BUCK布局

ในโครงร่างของรูปที่ 5 Cin อยู่ไกล และลูปอินพุตและกราวด์อินพุตมีขนาดค่อนข้างใหญ่ แต่โครงร่างนี้เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อแบบขนานหลายท่อ และวงจรกระแสของวงจร BUCK สามารถลดลงได้โดยการเพิ่มความถี่สูง ตัวเก็บประจุกรองที่ด้านหลังของ PCB

3.2 โครงการบูรณาการ

รูปแบบการรวมหมายถึง IC คอนเวอร์เตอร์ BUCK ที่รวมท่อด้านบนและท่อด้านล่างเข้าด้วยกัน การออกแบบต่อไปนี้มาจากเค้าโครงที่แนะนำโดยเอกสารข้อมูลอุปกรณ์ของผู้ผลิตบางราย และการออกแบบจริงของวิศวกรลูกค้าบางราย

หลักการพื้นฐานเหมือนกับข้างต้น: ขั้นแรกให้วางวงจรไฟฟ้าหลัก โดยเฉพาะตัวเก็บประจุอินพุตและวงจรกราวด์ IC จากนั้นจึงวางตัวเก็บประจุเอาต์พุต โดยพิจารณาการแบ่งกราวด์ของกราวด์และกราวด์สัญญาณขนาดเล็ก สุดท้าย ในด้านกราวด์สัญญาณขนาดเล็ก ให้วางสายสัญญาณที่เกี่ยวข้อง

 (ก) 布局1

 (ข) 布局2

(ค) 布局3

ภาพที่ 6：SOT23 และ PCB 布局

ตามวิธีการวิเคราะห์ตามรูป 4 เส้นทางปัจจุบันของท่อด้านบนเปิดและปิดในรูป วาด 6 ตามลำดับ และพบว่า:

(1) เส้นทางปัจจุบันในรูป 6(a) ควรผ่านด้านล่างของ IC และกลับไปยังพื้นของตัวเก็บประจุอินพุตด้านล่าง เส้นทางปัจจุบันนั้นยาว และกราวด์กำลัง (บริเวณมุมซ้ายบนของพิน GND ของ IC) และกราวด์สัญญาณขนาดเล็ก (พื้นที่ด้านขวาของพิน GND ของ IC) ควรถูกแบ่งออกอย่างเคร่งครัด ข้อดีคือสวิตช์โหนด SW เชื่อมต่อโดยตรงกับตัวเหนี่ยวนำที่ชั้นบนสุด

(2) เส้นทางปัจจุบันในรูปที่ 6 (b) เป็นเส้นทางที่สั้นที่สุด และกราวด์กำลัง (บริเวณมุมซ้ายบน PGND ของพิน GND ของ IC) และกราวด์สัญญาณขนาดเล็ก (พื้นที่ด้านขวา SGND ของพิน GND ของ IC) จะถูกแบ่งออกอย่างเคร่งครัด ดังแสดงในรูปที่ 7 ข้อเสียคือโหนดสวิตช์ SW เชื่อมต่อกับตัวเหนี่ยวนำผ่านรูเวีย

รูปที่ 7:SOT23布局2电流路径

(3) ในรูป 6(c) ส่วนประกอบที่อยู่ใกล้พินด้านขวาของ IC ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อกับพิน BOOT ทำให้กราวด์ของตัวเก็บประจุเอาท์พุตไม่กลับไปที่พิน GND ของ IC โดยตรง มีสองวงจรสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างกราวด์ของตัวเก็บประจุเอาต์พุตและพิน GND ของ IC: วงจรหนึ่งคือผ่านรูเวียที่ด้านล่างของ IC, รูเวียใกล้พื้นของตัวเก็บประจุเอาต์พุต และระนาบกราวด์ ที่ด้านล่างเพื่อสร้างวงจรเชื่อมต่อ อีกอันคือกราวด์ของตัวเก็บประจุเอาท์พุต ซึ่งพันจากใต้ IC ถึงพิน GND ของ IC และกราวด์ของตัวเก็บประจุอินพุตผ่านผิวหนังทองแดงด้านบนในการออกแบบโครงร่างนี้ เส้นทางปัจจุบันจะยาวที่สุด กราวด์กำลังและกราวด์สัญญาณขนาดเล็กจะไม่ถูกแบ่งพาร์ติชัน และโหนดสวิตช์ SW เชื่อมต่อกับตัวเหนี่ยวนำผ่านรูผ่าน ดังนั้นการออกแบบโครงร่างจึงไม่ดีที่ด้านล่างของอุปกรณ์ SOT23 มีผิวทองแดงที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าต่อสายดิน บนแผ่น PCB ที่สอดคล้องกัน สามารถวางจุดแวะหลายจุด ซึ่งสามารถเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์ของชั้นล่างหรือชั้นในเพื่อเพิ่มการกระจายความร้อน ดังที่แสดงในรูปที่ 8 ภายใต้เงื่อนไขที่อนุญาต ให้วางจุดแวะให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และควรเลือกเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดแวะอย่างเหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าหลังจากการบัดกรี ดีบุกจะไม่รั่วไหลและดีบุกจะเต็มจุดแวะ

 รูปที่ 8:มีบริษัท SOT23 PCB อยู่ด้วย

รูปที่ 9 แสดงเค้าโครงการออกแบบ PCB หลายแบบของแพ็คเกจ SO8 ผู้สนใจสามารถวิเคราะห์ข้อดีข้อเสียของตนได้ตามวิธีการข้างต้น

(ก) 布局1

 (ข) 布局2

(ค) 布局3

ภาพที่ 9：下部有铜皮SO8几种PCB布局

ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: บทความนี้ทำซ้ำจาก "Songge Power Supply" เพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญา โปรดระบุแหล่งที่มาต้นฉบับและผู้แต่งเมื่อพิมพ์ซ้ำ หากมีการละเมิดใด ๆ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก