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DC-DC的Layout要點(1)

CHANBAEK ? 來源:硬件系統架構師 ? 作者:Timothy ? 2023-07-15 15:14 ? 次閱讀

DC-DC-23---DC-DC的Layout要點

引言:在開關電源的設計中,PCB布局設計與電路設計同樣重要。合理的布局可以避免電源電路引起的各種問題。不合理的布局可能導致輸出和開關信號疊加引起噪聲增加、調節性能惡化、穩定性欠佳等。采用恰當的布局可以避免這些問題的發生。

1.DC-DC的環流

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圖24-1:開關元件Q1導通時的電流路徑

如圖24-1的紅色線表示開關元件Q1導通時流過的主要電流和路徑以及方向。Cbypass是高頻用去耦電容器,CIN是大容量電容器。開關元件Q1導通的瞬間,流過急劇的電流,其大部分由Cbypass提供,其次由CIN提供,緩慢變化的電流則由輸入電源提供。

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圖24-2:開關元件Q1關斷時的電流路徑

圖24-2的紅色線表示開關元件Q1關斷時的電流路徑。續流二極管D1導通,電感器L中蓄積的能量會釋放到輸出側。因為降壓轉換器的輸出拓撲結構中串聯了電感,所以輸出電容器的電流雖然上下波動,但比較平滑。

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圖24-3:電流差分、布局方面的重要路徑

圖24-3的紅色線表示圖24-1和圖24-2的差分。開關元件Q1從關斷到開通,從開通到關斷切換時,紅色線部分的電流都會急劇變化。由于這個變化很快,所以會出現含有較多高次諧波的波形。該差分系統在PCB布局時是重要之處,需要給予最大限度的重視。

2.PCB布局要點

PCB布局要點大致如下:

1:將輸入電容器,續流二極管和IC芯片放置在PCB的同一個面上,并盡可能靠近IC芯片放置。

2:為改善散熱條件可以考慮加入散熱過孔陣列。

3:電感可使來自開關節點的輻射噪聲最小化,重要程度僅次于輸入電容,需要放置在IC的附近處,電感布線的銅箔面積不要過大。

4:輸出電容器盡量靠近電感器放置。

5:反饋路徑的布線盡量遠離電感器、續流二極管等噪音源。

3.輸入電容器的布局

設計布局時,首先應放置最重要的部件:輸入電容器和續流二極管。在設計電流較小的電源(Iout≤1A)時,需要的輸入電容也比較小,有時一個陶瓷電容器可以同時作為CIN和Cbypass來使用。這是因為陶瓷電容器的電容值越小,頻率特性越好。但是,由于不同陶瓷電容器的頻率特性不同,使用前確認好實際使用產品的頻率特性。

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圖24-4:陶瓷電容的頻率特性

CIN:1μF 50V X5R 10μF 50V X5R

CBY:0.1μF 50V X7R 0.47μF 50V X7R

如圖24-4所示,當使用大容量電容器作為CIN時,一般而言其頻率特性并不好,所以通常需要與CIN并聯配置一顆頻率特性優異的高頻去耦電容器Cbypass,Cbypass通常使用表面貼裝型的疊層陶瓷電容器(MLCC),一般選擇X5R或X7R型,容值為0.1μF~0.47μF的電容。

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圖24-5:理想的輸入電容器的布局

如果Cbypass、IC的VIN引腳與GND引腳的距離較遠,受布線寄生感抗的影響會產生電壓噪聲/振鈴,所以盡量縮短二者之間的布線距離。降壓轉換器的應用中,即使將Cbypass放置在離IC最近的位置,CIN的地上也存在著數百MHz的高頻。因此建議CIN的接地和輸出電容器Cout的接地要距離1cm~2cm進行布局。

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圖24-6:CBYPASS放在與IC相同面的最近處時

CIN放置在距離2cm處也不會有太大的問題。

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圖24-7:將CIN放在IC的背面紋波電壓可能會增大

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圖24-8:不理想的輸入電容布局受過孔和電感的影響噪聲會增加

4.續流二極管的布局

二極管D1要放置在與IC同一層且最靠近IC引腳的位置,圖24-9是Cbypass、CIN及二極管D1的理想布局。如果IC引腳到二極管的距離過長,由布線的寄生電感引起的噪音毛刺會疊加到輸出上。續流二極管要使用最短且較寬的布線,直接連接到IC的開關引腳和GND引腳。如果借助過孔和底層連接,受過孔寄生電感的影響,毛刺噪聲將增加,因此續流二極管的布線絕對不能借助過孔。

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圖24-9:理想的續流二極管布局

圖24-10還展示了其他不合理的布局,續流二極管與IC的開關引腳及GND引腳距離較遠,這會導致布線上的寄生電感增加從而導致噪音毛刺變大。為了改善布局不當產生的毛刺噪聲,有時可能會追加RC緩沖電路作為應急處理。

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圖24-10:不理想的續流二極管布局

如圖24-11所示緩沖電路需要放置在IC的開關引腳和GND引腳的近處。即使放置在二極管的兩端,也不能吸收由于布線的寄生電感產生的毛刺噪聲( 圖24-12)。

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圖24-11:理想的緩沖電路布局

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圖24-12:不理想的緩沖電路布局

5.熱焊盤

PCB的銅箔雖然有助于散熱,但因為厚度不夠,超過一定面積就無法得到與面積相當的散熱效果。利用基板散熱是通過基板的板材實現的,使用散熱過孔,能夠有效地將熱傳遞到基板的另一面并大幅降低熱阻。

對于芯片底部外露散熱焊盤的封裝,散熱焊盤是地電位,即使布了很寬的銅箔走線也不會增加電磁干擾。為了提高散熱過孔的導熱率,建議采用可電鍍填充的內徑0.3mm左右的小孔徑通孔陣列。如果孔徑過大,在回流焊處理工序中容易出現爬錫的現象,建議散熱過孔的間距為1.2mm左右,放置在封裝散熱焊盤的正下方。如果僅靠散熱焊盤正下方的面積不足以散熱,還可以在IC的周圍盡量靠近IC的地方放置散熱過孔。

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