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Buck電路中PCB layout布局設計和注意事項

MPS芯源系統 ? 來源:MPS芯源系統 ? 2024-08-28 10:47 ? 次閱讀
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本期內容

DCDC電源電路中,PCB的布局對電路功能的實現和良好的各項指標來說都十分重要。今天我們以Buck電路為例,分析如何進行合理PCB layout布局以及設計中的注意事項。

01功率回路

如圖1(a)和1(b) 展示的分別是上管開通和關斷時的電流回路,即我們通常說的功率回路部分。這部分電路負責給用戶負載供電,承受的功率較大。電路中的上下管一般使用MOS管,由芯片內部產生的PWM信號來控制他們進行高速的開斷。而后半部分電路中的電感和電容組成了一個LC濾波電路,故不會存在一個較高的電流變化趨勢。

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圖1(a) 圖1(b)

wKgZombOj_iAW_zcAAIjsWu_mCs911.png

圖1(c)

結合上管和下管,即Q1、Q2的電流波形(圖1(c)),不難發現,只有在兩個開關管的部分會出現高電流轉換速率。由于PWM信號處電壓的快速變化,SW點會產生較強的噪聲。所以我們在PCB布線時需要特別注意,盡可能減小這一快速變化環節的面積來減少對其他部分的干擾。可喜的是,隨著集成工藝的進步,目前大部分電源芯片都將上下管集成到了芯片的內部,只有較少數的應用需要外置MOS或是二極管

02功率回路的PCB布局

對于一個常見的buck芯片,其電感充電功率回路中包含輸入電容,集成在芯片內部的上管MOSFET功率電感以及輸出電容等器件。而電感放電功率回路中則包含功率電感輸出電容和集成在芯片內部的下管MOSFET等。

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圖2(a) 電感充電功率回路

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圖2(b) 電感放電功率回路

在進行PCB布線時,這兩個功率回路走線要盡可能的短粗,在保證通流能力的情況下保持較小的環路面積,這樣可以減少對外輻射的噪聲。

輸入電容:

需就近放在芯片的輸入Vin和功率地PGND,來減少寄生電感的存在。因為輸入電流不連續,寄生電感引起的噪聲可能會超過芯片的耐壓以及對邏輯單元造成不良影響。VIN管腳旁邊至少要有1個去耦電容,距離最好小于40mil,用來濾除來自電源輸入端的交流噪聲和來自芯片內部(倒灌)的電源噪聲,同時也會起到儲能作用。

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SW點:

是開關節點,為噪聲源,所以應在保證電流的同時保持盡量小的面積,遠離易受干擾的信號走線。另外需要注意的是,對于大電流應用的Buck電路,盡量不要在SW處打過孔,避免把噪聲帶到其他層去。

wKgZombOkCWAVqg-AAPpn96yjmo499.png

輸出電容:

與輸入電容相似,輸出電容需要就近放在電感的輸出VOUT和功率地PGND,PGND 與輸出電容最短連接并鋪整銅,以保證功率回路最小。

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鋪銅面積與過孔數量:

這兩者會影響到PCB的通流和散熱能力。一般需要在VIN,Vout和GND處多打過孔,這兩處的鋪銅也應最大化來達到減小寄生阻抗的目的,SW處的鋪銅也不能過小,以免出現限流的情況,導致工作異常。由于PCB的載流能力與PCB板材、板厚、導線寬厚度以及溫升相關,較為復雜,可以通過具體設計規范來進行準確的查找和計算。

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03邏輯電路的PCB布局

在buck電路中,一般需要注意以下幾個邏輯環節:自舉電容反饋電路VCC和單點接地

wKgaombOkG-AfyRRAAOEgew4wkg414.png

自舉電容:

高壓buck芯片內部集成的上管一般都為NMOS,故需要BST自舉電路。在電感放電期間,通過對自舉電容進行充電,在BST管腳處就會產生一個高于SW的電壓,在電感充電期間驅動上管。故BST與SW一樣,也是一個電壓高速跳變的點,會輻射出較強的噪音。自舉電容也要放置在盡可能靠近BST和SW的位置,避免對其他信號的影響,布線時寬度一般在20mil即可。
wKgZombOkJSAGlipAAHYAJ3jF1Q000.png

wKgaombOkHqAFbQRAAJHGw3vf8I777.png

反饋電路:

一般包括FB上下分壓電阻和前饋電容。由于FB點的電壓很低,普遍在0.6-0.8V左右,極易與噪聲或紋波混淆,是芯片最敏感,最容易受干擾的部分,也是引起系統不穩定的常見原因。所以在布線時,上下分壓電阻和前饋電容都盡量靠近芯片擺放來減少噪聲的耦合,FB電阻連接到FB管腳的走線要盡可能地短來減小寄生電感以及阻抗。同時,需要注意FB連接到Vo的走線可以通過過孔設置在其他層,但也要盡可能遠離噪聲源,如SW、BST、電感等。

wKgZombOkKaAYUljAAMCD4rkq54716.png

VCC電容:

VCC為芯片邏輯電路供電,是芯片內部LDO的輸出。VCC電容應就近放置在芯片的VCC管腳和GND管腳之間,起到穩壓的作用。并且電容與芯片盡量在一層,不打過孔。

wKgZombOkNiATluEAAR0Xni6Bi0790.png

單點接地:

輸出電流較大的芯片,他們的地一般會被區分為PGND和AGND,PGND就是功率地,AGND就是我們一般所指的信號地,與FB、EN、VCC等芯片邏輯部分相關。為了避免整塊的功率地影響到較為敏感的信號地,建議將AGND和PGND單點連接,通過一個0ohm電阻連接也可以。

wKgaombOkLWAOtrDAAb7VbwnsjQ614.png

這是因為盡管PGND的大塊鋪銅可以起到吸收輸入端電源噪音的作用,但是在輸出電流較大的情況下,其輻射出的噪音依舊會對敏感的邏輯電路造成影響。單點連接的布線方式可以為我們的邏輯電路提供一個相對“干凈”的地。

以上,就是我們在畫buck電路PCB時需要著重注意的地方。當畫PCB無從下手時,也可以先打開芯片的規格書,查看demo板的PCB layout或是相關的指導。

04PCB“健康體檢表”

最后,為了方便大家了解自己畫的PCB是否合理,可以參考以下PCB“健康體檢表”做一個自評:

設計建議 比重(%) 自評打分 備注
器件位置擺放 輸入電容靠近芯片放置,去耦電容需要放置在VIN與功率PGND管腳旁邊6mil (允許元器件最小間距),最好不要超過40mil。與芯片放置在同一層。 20
電感靠近SW管腳放置。與芯片放置在同一層。 15 使用電源模塊,可忽略此條
輸出電容兩端需靠近電感Vout端和功率PGND放置。與芯片放置在同一層。 15
續流二極管需要靠近電感SW與功率PGND放置。與芯片放置在同一層。 5 使用同步電源芯片,可忽略此條
VCC電容需靠近芯片VCC管腳放置。與芯片放置在同一層。 3
FB電阻需靠近FB管腳放置,走線盡量短。與芯片放置在同一層。遠離噪聲源。 3
BST RC需靠近SW和BST管腳放置。與芯片放置在同一層。 3
COMP RC靠近管腳放置。 3 若無此管腳,可忽略此條。
大功率網絡鋪銅 VIN 鋪銅 3
SW鋪銅在足夠通流情況下越短越好。 4
Vout鋪銅 3
GND鋪銅 4 在最后進行整體鋪銅較為便捷。
V
I
A

GND網絡過孔數量
≥(Iin+Iout)/200mA
4
VIN網絡過孔數量
≥Iin/200mA
3
Vout網絡過孔數量
≥Iout/200mA
3
過孔盡量不打在芯片管腳或器件焊盤上 1
其他弱電信號 EN 電阻盡量靠近芯片擺放,可放置在不同層。 1
SS RC盡量靠近芯片管腳擺放。 1
PG 1
其他(CS,mode等) 1 參考相應規格書
走線 走線以及鋪銅都用45°或者圓弧角。 2
電感下方不走線。 1
采樣信號平行走線。 1 若無此功能,可忽略此條。

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原文標題:Buck電路中PCB布局該注意哪些?

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