干货 | DC-DC 的Layout 要点
在开关电源的设计中,PCB布局设计与电路设计同样重要。合理的布局可以避免电源电路引起的各种问题。不合理的布局可能导致输出和开关信号叠加引起噪声增加、调节性能恶化、稳定性欠佳等。采用恰当的布局可以避免这些问题的发生。
1.DC-DC的环流
如图24-1的红色线表示开关元件Q1导通时流过的主要电流和路径以及方向。
Cbypass是高频用去耦电容器,CIN是大容量电容器。开关元件Q1导通的瞬间,流过急剧的电流,其大部分由Cbypass提供,其次由CIN提供,缓慢变化的电流则由输入电源提供。
图24-2的红色线表示开关元件Q1关断时的电流路径。续流二极管D1导通,电感器L中蓄积的能量会释放到输出侧。因为降压转换器的输出拓扑结构中串联了电感,所以输出电容器的电流虽然上下波动,但比较平滑。
图24-3的红色线表示图24-1和图24-2的差分。开关元件Q1从关断到开通,从开通到关断切换时,红色线部分的电流都会急剧变化。由于这个变化很快,所以会出现含有较多高次谐波的波形。该差分系统在PCB布局时是重要之处,需要给予最大限度的重视。
2.PCB布局要点
PCB布局要点大致如下:
1:将输入电容器,续流二极管和IC芯片放置在PCB的同一个面上,并尽可能靠近IC芯片放置。
2:为改善散热条件可以考虑加入散热过孔阵列。
3:电感可使来自开关节点的辐射噪声最小化,重要程度仅次于输入电容,需要放置在IC的附近 处,电感布线的铜箔面积不要过大。
4:输出电容器尽量靠近电感器放置。
5:反馈路径的布线尽量远离电感器、续流二极管等噪音源。
3.输入电容器的布局
设计布局时,首先应放置最重要的部件:输入电容器和续流二极管。在设计电流较小的电源(Iout≤1A)时,需要的输入电容也比较小,有时一个陶瓷电容器可以同时作为CIN和Cbypass来使用。这是因为陶瓷电容器的电容值越小,频率特性越好。但是,由于不同陶瓷电容器的频率特性不同,使用前确认好实际使用产品的频率特性。
CIN:1µF 50V X5R 10µF 50V X5R
CBY:0.1µF 50V X7R 0.47µF 50V X7R
如图24-4所示,当使用大容量电容器作为CIN时,一般而言其频率特性并不好,所以通常需要与CIN并联配置一颗频率特性优异的高频去耦电容器Cbypass,Cbypass通常使用表面贴装型的叠层陶瓷电容器(MLCC),一般选择X5R或X7R型,容值为0.1μF~0.47μF的电容。
如果Cbypass、IC的VIN引脚与GND引脚的距离较远,受布线寄生感抗的影响会产生电压噪声/振铃,所以尽量缩短二者之间的布线距离。降压转换器的应用中,即使将Cbypass放置在离IC最近的位置,CIN的地上也存在着数百MHz的高频。因此建议CIN的接地和输出电容器Cout的接地要距离1cm~2cm进行布局。
CIN放置在距离2cm处也不会有太大的问题。
4.续流二极管的布局
二极管D1要放置在与IC同一层且最靠近IC引脚的位置,图24-9是Cbypass、CIN及二极管D1的理想布局。如果IC引脚到二极管的距离过长,由布线的寄生电感引起的噪音毛刺会叠加到输出上。续流二极管要使用最短且较宽的布线,直接连接到IC的开关引脚和GND引脚。如果借助过孔和底层连接,受过孔寄生电感的影响,毛刺噪声将增加,因此续流二极管的布线绝对不能借助过孔。
图24-10还展示了其他不合理的布局,续流二极管与IC的开关引脚及GND引脚距离较远,这会导致布线上的寄生电感增加从而导致噪音毛刺变大。为了改善布局不当产生的毛刺噪声,有时可能会追加RC缓冲电路作为应急处理。
如图24-11所示缓冲电路需要放置在IC的开关引脚和GND引脚的近处。即使放置在二极管的两端,也不能吸收由于布线的寄生电感产生的毛刺噪声(图24-12)。
5.热焊盘
PCB的铜箔虽然有助于散热,但因为厚度不够,超过一定面积就无法得到与面积相当的散热效果。利用基板散热是通过基板的板材实现的,使用散热过孔,能够有效地将热传递到基板的另一面并大幅降低热阻。
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