Buck轉換器的PCB佈局與設計

2022-03-17 1151

1、BUCK變換的關鍵迴路與關鍵節點

無論是什麼類型的轉換器，PCB佈局設計的關鍵是找到電路系統的關鍵電路和關鍵節點。那麼電路系統的關鍵電路和關鍵節點有哪些呢？一般情況下，電流變化率di/dt較大的迴路和電壓變化率dV/dt較大的節點是關鍵迴路和關鍵節點，在PCB佈局設計中應優先考慮。

BUCK變換器上管開通與關閉時，各迴路電流及波形如圖1所示。

（a）上管開通的電流迴路

（b）上管關斷的電流迴路

（c）L1和L2環路的電流波形

（d）開關節點SW工作電壓

（e）BUCK的工作電流環路

圖1：BUCK的工作電流迴路及波形

若將L1稱為輸入迴路，則L2稱為輸出迴路；下管的S源極到輸入電容的地稱為輸入地，下管的S源極到輸入輸出電容的地稱為輸出地。可以發現：(1) 電流

1）L1環路，包含輸入地，是脈衝電流波形。電流波形的前緣和後緣具有非常大的電流變化率di/dt。(2)電流

2）L2電路，包括輸出地，相當於直流電，疊加了峰值峰值較小的交變三角波。電流波形的前緣和後緣具有較小的電流變化率di/dt。

因此，電流變化率di/dt非常大的輸入迴路，即L1迴路，包括輸入地，是強磁場發射的干擾源。

如果看電壓波形，輸入電壓、輸出電壓和接地電路都是穩定電壓，而開關節點SW的電壓在上管開通過程中產生非常大的電壓變化率dV/dt和關閉，這是強電場發射的干擾源。

2、BUCK轉換器PCB的基本設計和佈局要求

根據BUCK變換器的工作原理、各迴路的電流特性以及開關節點的電壓特性，很容易得到BUCK變換器PCB佈局的基本原則：

（1）輸入迴路L1，包括輸入地，應盡量短，即輸入電容CIN的正極盡量靠近上管漏極D，接地端輸入電容CIN的盡量靠近下管的源極S。迴路的佈線應盡可能粗，以減少迴路的寄生電感和磁場幹擾。如有必要，在上管的漏極D和下管的源極S之間最近的距離處放置一個小尺寸的去耦陶瓷電容。輸入電路盡可能短、佈線粗，可以減少雜訊電阻和傳導損耗，有利於散熱。

(2)輸出迴路L2，包括輸出地，磁場幹擾較小，但輸出電流通常較大。需要盡可能減少迴路，並使佈線盡可能粗，以減少雜散電阻和傳導損耗，這也有利於散熱，提高系統的效率。在一定程度上也可以減少磁場幹擾。

(3)開關節點SW的面積應盡量小，以減少節點的寄生電容和電場幹擾。但此節點需鋪銅皮以加強功率MOSFET的散熱，因此需在散熱與EMI（電場發射干擾）設計之間取得平衡，必要時需增加吸收電路以降低電壓變化率。

其他考慮因素是：

(4)所有回授訊號和類比小訊號應遠離上述幹擾較大的電路和節點，並儘可能採用較細的佈線。請勿在控制 IC 或轉換器下方流過開關電流。電流取樣訊號應接在Kevin中，電流取樣訊號的RC濾波網路應盡可能靠近IC的接腳。

圖2：當前採樣訊號

(5) 輸入輸出電容的接地透過多個過孔連接到底層或內層的地平面。如果裝置底部有具有接地電氣特性的銅皮，也可以透過多個過孔連接到底部或內層的地平面，以增強散熱。

(6)直流電源和直流地，相當於交流地，可以屏蔽幹擾訊號，所以盡量不要分開。如果分段不可避免，請盡可能減少訊號線的數量和長度，並儘可能透過交流將小訊號與大訊號平面隔離。

（7）功率MOSFET的Gate閘極驅動迴路應盡可能短，且應採用平行佈線。 MOSFET的源極D和汲極S盡可能用銅線走線，如圖3所示。

(a) 好的佈線 (b) 不好的佈線

圖3：功率MOSFET的佈線

(8)2層板的供電系統，頂層為元件和電源環路層，底層為小訊號和地平面層。 4層或6層板，可採用以下方案。

表1：4層板每個层分配

表2：6層板每個层分配

3、BUCK轉換器PCB設計佈局範例

3.1離散方案

上下管採用分立功率MOSFET，上下管佈局常見有兩種：

(1)上管與下管水平、垂直成90度，如圖4；

(2)上管、下管水平佈置，如圖5所示。

基本原則是：先佈局主功率電路，特別是輸入電容和功率MOSFET電路，再佈局電感和輸出電容電路，考慮電源接地和小訊號地的劃分；最後，在小訊號地一側，佈置相關訊號線。

(a) 優化佈局

(b) 螢光體佈局

圖4：垂直排列分立元件BUCK佈局

圖中的兩種佈局4.輸入迴路及輸入地如圖。圖 4(a) 中的尺寸比圖 4(a) 中的尺寸小得多。 4(b)，所以圖XNUMX(b)的佈局XNUMX(a)更加優化。

(a) 實驗室佈局

(b) 高頻電容

圖5：水平排列分立元件BUCK佈局

圖5的佈局中，Cin距離較遠，輸入迴路和輸入地都比較大，但這種佈局適合多管並聯，透過增加高頻可以減少BUCK電路的電流環路PCB背面的濾波電容。

3.2 整合方案

一體化方案是指將上管和下管一體化的BUCK轉換器IC。以下設計來自於一些廠商元件資料表建議的佈局以及一些客戶工程師的實際設計。

基本原理同上：首先佈局主電源電路，特別是輸入電容和IC地電路，然後佈局輸出電容，考慮電源接地和小訊號地的劃分；最後，在小訊號地一側，佈置相關訊號線。

(a) 佈局1

(b) 佈局2

圖6：SOT23幾種PCB佈局

根據圖分析方法4.上管通斷電流路徑如圖。分別繪製6張，可以發現：

(1) 圖中目前路徑6(a)應穿過IC底部並返回下方輸入電容的地。電流路徑較長，電源接地（IC GND 腳位左上角區域）和小訊號接地（IC GND 接腳右側區域）也應嚴格劃分。優點是開關節點SW直接連接到頂層的電感。

(2) 圖6(b)電流路徑最短，嚴格劃分電源接地（IC GND腳左上角區域PGND）和小訊號接地（IC GND腳右側區域SGND），如圖7所示。節點SW透過過孔與電感相連。

圖7：SOT23佈局2目前路徑

(3) 圖中。如圖6(c)所示，靠近IC右側接腳的元件、連接BOOT接腳的電阻和電容使得輸出電容的接地不會直接回到IC的GND接腳。輸出電容的接地與IC的GND接腳連接有兩種電路：一種是透過IC底部的過孔、輸出電容地附近的過孔、地平面底部形成連接電路；另一個是輸出電容的地，從IC下面通過頂部銅皮繞到IC的GND引腳和輸入電容的地。此版圖設計中，電流路徑最長，電源地和小訊號地沒有分區，開關節點SW透過過孔與電感相連，版圖設計較差。SOT23裝置的底部有一層銅皮，電氣特性接地。在PCB的相應焊盤上，可以鋪設多個過孔，可以連接到底層或內層的地平面，以增強散熱。如圖8所示，在允許的條件下，盡可能鋪設過孔，過孔的直徑要選擇適當，以確保焊接後不漏錫，錫充滿過孔。

圖8：下部有銅皮SOT23 PCB佈局

圖9列出了SO8封裝的幾種PCB設計佈局。有興趣的可以按照以上方法分析一下各自的優缺點。

(a) 佈局1

(b) 佈局2