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關于開關側PCB鋪銅的設計心得

MPS芯源系統 ? 來源:MPS芯源系統 ? 2024-06-12 14:27 ? 次閱讀

上期回顧:PCB布局寶典

本期內容

開關電源是以功率MOS為核心的電能變換器,除了芯片自身的參數會對電能質量產生較大影響外,PCB的設計也是非常重要。

今天,我們將以簡單的Buck電路為例,從不同的角度出發,和大家分享一下關于開關側PCB鋪銅的一些設計心得。

01首先,開關側,也就是我們常說的SW,是Buck電路中非常關鍵的位置,它是輸入回路和輸出回路的交點,同時也是橋臂功率MOS直接相連的地方。

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一般來說,和功率MOS相連的信號,PCB的鋪銅面積都要盡可能設計得大一些,主要是兩方面的考量:

一方面是功率回路需要走較大的電流,在相同距離上,增加鋪銅寬度可以增大走線的通流能力,降低路徑損耗。

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另一方面,和功率MOS直接相連的鋪銅,也承擔著器件散熱的角色。我們知道,散熱能力往往會成為電源芯片輸出能力的瓶頸。由于芯片pin腳的導熱性較好,芯片內核到PCB的熱阻往往會小于到封裝表面的熱阻,這也就意味著芯片大部分熱是通過芯片pin腳導入PCB后耗散的,那增加SW的鋪銅面積,對于Buck芯片的散熱能力,也會有一定程度的提升。

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02但是,這是否就意味著SW的鋪銅越大越好呢?

答案是否定的。

如果從噪聲維度去看,SW承接著Buck 拓撲的輸入回路和輸出回路,隨著MOS的開關切換,SW處的電壓也會產生周期性的脈沖變化。同時,SW的電流也隨著MOS的高頻切換,呈現規律性的波動。

當SW鋪銅面積變大,那么對參考地的寄生電容也會隨之增大,高頻電壓波動帶來的噪聲更容易通過寄生電容耦合到參考地, 從而影響其它采樣信號的識別。

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同時,變化的電流會在空間產生變化的磁場,當磁導線穿過閉合線圈時,則會感應出電壓噪聲,對附近的信號產生一定的影響。隨著鋪銅面積的增加,干擾的輻射范圍也就越廣。

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所以,為了盡可能減小對周邊信號的影響,我們希望SW的鋪銅面積越小越好。

另外,我們也不建議在SW處打過孔。

在實際應用中,為了減小電源噪聲對信號鏈的影響,我們會在電源層下面加一層完整的GND作為噪聲屏蔽層。一旦SW處增加了過孔,就破環了屏蔽層的完整性,噪聲就會沿著過孔干擾到其它層的信號傳輸。

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03那么,如何解決上述的矛盾呢?

1SW的鋪銅寬度需要保證橫截面有足夠的電流通流能力,這個是首要條件。一般來說,1OZ銅厚的PCB,走線寬度設計在15mil/A左右比較合理。在這個基礎上,盡可能縮短SW到電感之間的距離,來減小對周邊信號的干擾。

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2我們可以通過增加電源芯片GND鋪銅以及輸入鋪銅的面積,來提升MOS的散熱能力。這樣就可以巧妙地化解這個設計上的矛盾點。

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原文標題:SW與電感之間的鋪銅面積越大越好嗎?

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