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開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局

不會layout的工程師不是好的硬體工程師。在開關電源設計中,PCB布局設計與電路設計一樣重要,不正确的布局會導緻穩定性較大有很大的噪聲幹擾以及振鈴振蕩等現象出現。由于硬體制闆周期時間較長且投入成本較大,是以在電源設計中需要掌握PCB基本布局要點,本篇文章将針對非同步式Buck型DCDC來做講解。

電流路徑

Buck型DCDC存在兩個電流發生劇烈變化的主回路:

①上管打開,如下圖紅色箭頭方式所示。在此過程中交變的電流I1會流過輸入輸出電容。 C I N C_{IN} CIN​是大容值電容器, C B Y P A S S C_{BYPASS} CBYPASS​是去耦電容。

開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局

②上管關斷,由電感和續流二極管組成了下圖電流區域,電流波形I2。

開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局

電流I1和I2都是不連續的,這意味着它們在發生切換的時候都存在陡峭的上升沿和下降沿,這些陡峭的上升沿和下降沿具有極短的上升和下降時間,因而存在很高的電流變化速度dI/dt,其中就必然存在很多高頻成分。

③從上面兩個回路可以得知,電流路徑I1和I2共享了開關節點->電感->輸出電容->地->二極管這一路徑。I1和I2合在一起就是個平緩連續的鋸齒波,連續區域内不存在高的電流變化率是以高頻成分較少。是以下圖紅色區域部分在MOS管開關準換時電流會急劇變化,會出現高次諧波,是以不連續區域(下圖紅色區域)在PCB layout時需要重點關注。

開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局

PCB設計要點:

  • 輸入電容器和二極管在與IC相同的面,盡可能在IC最近處
  • 電感可使開關節點輻射噪聲最小化,是以布局也要配置在IC附近
  • 輸出電容靠近電感放置
  • 回報回路遠離電感和二極管等噪聲源

輸入電容配置:

C B Y P A S S C_{BYPASS} CBYPASS​放置在同面最近端,負責大部分脈沖狀電流。 C I N C_{IN} CIN​為大容值電容可以适當離開1-2cm可以接受,下圖2是折中方案。

開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局
開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局

不正确的布局方式如下,一定要避免:

電容放置在背面,受導通孔的影響導緻電感量增大,電壓噪聲增大。

開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局

輸入電容離IC較遠而且地回路很大,會造成電壓噪聲及振鈴現象。二極管及IC開關引腳地回路較大布線電感增加尖峰噪聲也會相應增加。

開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局

當 C B Y P A S S C_{BYPASS} CBYPASS​離IC不同位置電壓紋波有着很大變化:

開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局
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電感配置

理想的電感布局如下示意:

關于走線寬度可按照1oz銅厚PCB按照1mm-1A,2oz銅箔PCB按0.7mm-1A設計

開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局

電感不理想布局如下:

①過大的銅箔面積,會産生天線的作用,使EMI增加:

開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局

②電感正下方不能布置接地層,因接地層産生的渦電流會把磁力線消除,導緻電感值降低損耗增加。

開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局

③電感引腳間距離過近,導緻雜散電容增加,使輸出紋波增加。

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輸出電容配置:

  • 輸出電流連接配接在電感後端,是以輸出電容電流平滑
  • 輸出電容盡可能靠近電感
  • 輸入的地有幾百M的高頻,是以建議 C I N C_{IN} CIN​的接地和 C O C_{O} CO​的接地離開1-2cm進行配置
  • 兩者接近的話,輸入的高頻噪聲可能會有 C O C_{O} CO​傳遞到輸出
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回報回路的布線配置:

回報路徑應遠離噪聲幹擾源,正确布局如下:

開關穩壓器詳解(五)-Buck降壓型開關穩壓器PCB layout布局

不正确布局如下:

回報路徑與電感平行,電感外圍的噪聲産生的磁場會使回報路徑感應到噪聲。

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散熱孔配置:

PCB銅箔面積有助于散熱,但因厚度不充分超過一定面積後未必達到相應面積對應的散熱效果,是以需要将熱量傳遞到PCB的反面可減少熱阻,是以需要散熱孔。

常見的SOP-8峰值的散熱孔配置如下:

為了提高散熱孔的熱傳導率,建議采用直徑0.3mm左右的電鍍通孔。孔徑過大的話,在回流焊時會導緻焊料爬越問題,僅背面散熱不足時,需要在IC外圍也要配置散熱孔。

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參考

  • PCB Layout Techniques of Buck Converter