BUCK轉(zhuǎn)換器的PCB布局設(shè)計(jì)

作者簡介：劉松，男，湖北武漢人，碩士，應(yīng)用中心總監(jiān)，主要從事開關(guān)電源系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)和模擬電路的應(yīng)用研究和開發(fā)工作。獲廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，發(fā)表技術(shù)論文60多篇。E-mail：songliu@aosmd.com。

1   BUCK轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵回路和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

不管是什么類型的高頻開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，PCB 布局設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是要找到電路系統(tǒng)的關(guān)鍵回路和關(guān)鍵 節(jié)點(diǎn)，什么是電路系統(tǒng)的關(guān)鍵回路和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)呢？通常，電流變化率di/dt 大的環(huán)路，以及電壓變化率dV/dt 大的節(jié)點(diǎn)，就是關(guān)鍵回路和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在PCB 布局設(shè)計(jì)時(shí)要優(yōu)先考慮和布局。BUCK 轉(zhuǎn)換器上管開通及關(guān)斷時(shí)，各環(huán)路的電流及波形如圖1 所示。

如果把L1 稱為輸入回路，L2 稱為輸出回路；下管的S 源極到輸入電容的地稱為輸入地，下管的S 源極到輸出電容的地稱為輸出地，可以發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)。

1）L1 回路的電流，包括輸入地，都是高頻脈沖的電流波形，電流波形的前沿和后沿具有非常大的電流變化率di/dt。

2）L2 回路的電流，包括輸出地，相當(dāng)于在直流電流上面疊加了峰峰值比較小的交流三角波，電流波形的前沿和后沿具有較小的電流變化率di/dt。

因此，具有非常大的電流變化率di/dt 的輸入回路也就是L1 環(huán)路，包括輸入地，是強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)射的干擾源。如果查看電壓波形，輸入電壓、輸出電壓及地回路都是穩(wěn)定的電壓。在上管開通和關(guān)斷的過程中，開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW 的電壓產(chǎn)生非常大的電壓變化率dV/dt，是強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射的干擾源。^[1-5]

2   BUCK轉(zhuǎn)換器PCB基本設(shè)計(jì)和布局要求

根據(jù)BUCK 轉(zhuǎn)換器的工作原理、各個(gè)回路的電流特性及開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓特性很容易得到BUCK 轉(zhuǎn)換器PCB 布局的基本原則，如下所示。

1）輸入回路L1，包括輸入地，回路要盡可能短，也就是輸入電容CIN 的正端盡可能靠近上管的漏極D、輸入電容CIN 的地端盡可能靠近下管的源極S，回路的布線要盡可能粗，從而減小環(huán)路寄生電感和磁場(chǎng)干擾。必要時(shí)，在上管的漏極D 和下管的源極S 之間最近的距離放置1 個(gè)小尺寸去耦陶瓷電容。輸入回路盡可能短、布線粗可以減小雜散電阻，減小其導(dǎo)通損耗，也有利于散熱。

2）輸出回路L2，包括輸出地，磁場(chǎng)干擾不大，但是，由于輸出電流通常比較大，盡可能減小環(huán)路面積，布線盡可能粗厚，就可以減小雜散電阻，減小其導(dǎo)通損耗，也有利于散熱，可以提高系統(tǒng)效率。在一定的程度上，也可以減小磁場(chǎng)干擾。

3）開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW 的面積要盡可能小，從而減小節(jié)點(diǎn)的空間寄生電容和電場(chǎng)發(fā)射及干擾。但是，這個(gè)節(jié)點(diǎn)要鋪設(shè)銅皮，加強(qiáng)功率MOSFET 的散熱，因此，要在散熱和EMI（電場(chǎng)發(fā)射及干擾）的設(shè)計(jì)之間取得平衡，必要時(shí)，需要加RC 吸收電路，減小電壓變化率。其他的注意事項(xiàng)如下。

4）所有的反饋信號(hào)及模擬小信號(hào)要遠(yuǎn)離上面干擾大的回路和節(jié)點(diǎn)，并盡可能用較細(xì)的布線?？刂艻C 或轉(zhuǎn)換器的下面不要流過開關(guān)電流。電流取樣信號(hào)要采用開爾文（Kevin）連接方式，電流取樣信號(hào)的RC 濾波網(wǎng)絡(luò)要盡可能靠近IC 管腳。

5）輸入和輸出電容的地通過多個(gè)過孔連接到底層或內(nèi)層的地平面，如果器件底部有電氣特性為地的銅皮，也可以通過多個(gè)過孔連接到底層或內(nèi)層的地平面，以加強(qiáng)散熱。

6）DC 電源和DC 地相當(dāng)于交流地，可以屏蔽干擾信號(hào)，因此盡可能不要做分割。如果分割不可避免，盡可能減小信號(hào)線的數(shù)量和長度，小信號(hào)盡可能和大信號(hào)平面用交流地進(jìn)行隔離。

7）功率MOSFET 的柵極Gate 驅(qū)動(dòng)環(huán)路要盡可能短，并使用平行走線。功率MOSFET 的源極D 和漏極S，盡可能用銅皮布線，如圖2 所示。

8）電源系統(tǒng)為2 層板，頂層為元件和功率回路層，底層為小信號(hào)和地平面層。4 層或6 層 板可以采用表1和表2 的方案。

表1 4層板的分配

表2 6層板的分配

3   BUCK轉(zhuǎn)換器分立方案PCB布局設(shè)計(jì)

上管、下管采用分立功率MOSFET，上管、下管常用的排布有2 種布局：

1）上管、下管呈90°，如圖3（a）所示；

2）上管、下管呈水平排列，如圖3（c）所示。

基本原則是：先布局主功率回路，特別是輸入電容、功率MOSFET 回路，然后布局電感和輸出電容回路，同時(shí)，考慮功率地、小信號(hào)地的分區(qū)；最后，在小信號(hào)地一側(cè)布局相關(guān)的信號(hào)線。圖3 中的2 種布局，圖3（a）的輸入環(huán)路及輸入地比圖3（b）要小很多，因此，圖3（a）布局更優(yōu)化。圖3（c）的布局中，C_in 距離較遠(yuǎn)，輸入環(huán)路及輸入地比較大，但是這種布局適合多管并聯(lián)，可以通過在PCB背面加高頻濾波電容，減小BUCK電路的電流環(huán)路。

（a）垂直排列分立器件優(yōu)化布局

（b）垂直排列分立器件較差布局

（c）水平排列分立器頂層布局

（d）高頻電容

（e）水平排列分立器件高頻去耦電容放置背面底層

圖3 水平排列和垂直排列分立器件BUCK布局

4   BUCK轉(zhuǎn)換器集成方案PCB布局設(shè)計(jì)

集成方案是指集成上管和下管的BUCK 轉(zhuǎn)換器IC，下面這些設(shè)計(jì)來源于一些廠家器件數(shù)據(jù)表推薦和客戶實(shí)際應(yīng)用的布局。基本原則是：先布局主功率回路，特別是輸入電容、IC 的地回路，然后布局輸出電容，同時(shí)，考慮功率地、小信號(hào)地的分區(qū)；最后，在小信號(hào)地一側(cè)布局相關(guān)的信號(hào)線。

（a）布局1

（b）布局2

（c）布局3

（d）布局2電流路徑

（e）下部有銅皮布局

圖4 SOT23幾種PCB布局

按圖3 的分析方法，分別畫出圖4 中上管開通、關(guān)斷的電流路徑，可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律。

1）圖4（a）的電流路徑要穿過IC 底部，回到下面輸入電容的地，電流路徑較長，功率地（IC 的GND 管腳左上角區(qū)域）、小信號(hào)地（IC 的GND 管腳右邊區(qū)域）也做到嚴(yán)格分區(qū)，優(yōu)點(diǎn)是：開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW 在頂層直接連接到電感。

2） 圖4（b） 的電流路徑最短， 功率地（IC 的GND 管腳左上角區(qū)域PGND）、小信號(hào)地（IC 的GND管腳右邊區(qū)域SGND）嚴(yán)格分區(qū)，如圖4（d）所示，缺點(diǎn)是：開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW 要通過過孔連接到電感。

3）圖4（c）中，IC 右邊管腳附近元件是連接到BOOT 管腳的1 個(gè)電阻和1 個(gè)電容，讓輸出電容的地不能直接回到IC 的GND 管腳，輸出電容的地和IC 的GND 管腳的連接有2 個(gè)回路：一個(gè)是通過IC 底部的過孔、輸出電容的地附近過孔，和底層的地平面形成連接回路；另一個(gè)是輸出電容的地，通過頂層銅皮從IC 下方繞回到IC 的GND 管腳及輸入電容的地。

這種布局設(shè)計(jì)電流路徑最長，功率地、小信號(hào)地沒有分區(qū)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW 要通過過孔連接到電感，因此布局設(shè)計(jì)比較差。SOT23 器件底部有電氣特性為地的銅皮，在PCB對(duì)應(yīng)的焊盤上，可以布設(shè)多個(gè)過孔，連接到底層或內(nèi)層的地平面，加強(qiáng)散熱，如圖4（e）所示，在許可的條件下，盡可能多布設(shè)過孔，過孔直徑要選擇合適，保證焊接后既不漏錫，錫也要填滿過孔，有利于傳導(dǎo)熱量。圖5 列出了SO8 封裝的幾種PCB 設(shè)計(jì)布局。

（a）布局1

（b）布局2

（c）布局3

圖5 下部有銅皮SO8幾種PCB布局

5   結(jié)束語

1）BUCK 轉(zhuǎn)換器具有高電流變化率di/dt 的輸入回路，同時(shí)具有高電壓變化率dV/dt 的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，是其關(guān)鍵回路和關(guān)鍵 節(jié)點(diǎn)，使用盡可能小的環(huán)路短粗布線。

2）優(yōu)化的PCB 布局需要將功率地和信號(hào)地進(jìn)行有效分區(qū)，減小干擾。多層板靠近功率元件層（頂層或底層）的第2 層或倒數(shù)第2 層，布設(shè)為整片地層，提供屏蔽和加強(qiáng)散熱。

3）器件底部有電氣特性為地的銅皮，可以通過多個(gè)過孔連接到底層或內(nèi)層地平面，加強(qiáng)散熱。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）