鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：757次 | 2020年05月19日
詳解非隔離式開(kāi)關(guān)電源PCB布局設(shè)計(jì)技巧
一個(gè)良好的布局設(shè)計(jì)可優(yōu)化效率，減緩熱應(yīng)力，并盡量減小走線與元件之間的噪聲與用途。這一切都源于設(shè)計(jì)人員對(duì)電源中電流傳導(dǎo)路徑以及信號(hào)流的理解。
當(dāng)一塊原型電源板首次加電時(shí)，最好的情況是它不僅能工作，而且還安靜、發(fā)熱低。然而，這種情況并不多見(jiàn)。
開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是“不穩(wěn)定”的開(kāi)關(guān)波形。有些時(shí)候，波形抖動(dòng)處于聲波段，磁性元件會(huì)出現(xiàn)出音頻噪聲。假如問(wèn)題出在印刷電路板的布局上，要找出原因可能會(huì)很困難。因此，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)初期的正確pCB布局就非常關(guān)鍵。
電源設(shè)計(jì)者要很好地理解技術(shù)細(xì)節(jié)，以及最終產(chǎn)品的功能需求。因此，從電路板設(shè)計(jì)項(xiàng)目一開(kāi)始，電源設(shè)計(jì)者應(yīng)就關(guān)鍵性電源布局，與pCB布局設(shè)計(jì)人員展開(kāi)密切合作。
一個(gè)好的布局設(shè)計(jì)可優(yōu)化電源效率，減緩熱應(yīng)力；更重要的是，它最大限度地減小了噪聲，以及走線與元件之間的相互用途。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，設(shè)計(jì)者必須了解開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的電流傳導(dǎo)路徑以及信號(hào)流。要實(shí)現(xiàn)非隔離開(kāi)關(guān)電源的正確布局設(shè)計(jì)，務(wù)必牢記以下這些設(shè)計(jì)要素。
布局規(guī)劃
對(duì)一塊大電路板上的嵌入dc/dc電源，要獲得最佳的電壓調(diào)節(jié)、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)效率，就要使電源輸出靠近負(fù)載器件，盡量減少pCB走線上的互連阻抗和傳導(dǎo)壓降。確保有良好的空氣流，限制熱應(yīng)力；假如能采用強(qiáng)制氣冷措施，則要將電源靠近風(fēng)扇位置。
另外，大型無(wú)源元件(如電感和電解電容)均不得阻擋氣流通過(guò)低矮的表面封裝半導(dǎo)體元件，如功率MOSFET或pWM控制器。為防止開(kāi)關(guān)噪聲干擾到系統(tǒng)中的模擬信號(hào)，應(yīng)盡可能防止在電源下方布放敏感信號(hào)線；否則，就要在電源層和小信號(hào)層之間放置一個(gè)內(nèi)部接地層，用做屏蔽。
關(guān)鍵是要在系統(tǒng)早期設(shè)計(jì)和規(guī)劃階段，就籌劃好電源的位置，以及對(duì)電路板空間的需求。有時(shí)設(shè)計(jì)者會(huì)無(wú)視這種忠告，而把關(guān)注點(diǎn)放在大型系統(tǒng)板上那些更“重要”或“讓人興奮”的電路。電源管理被看作事后工作，隨便把電源放在電路板上的多余空間上，這種做法對(duì)高效率而可靠的電源設(shè)計(jì)十分不利。
關(guān)于多層板，很好的方法是在大電流的功率元件層與敏感的小信號(hào)走線層之間布放直流地或直流輸入/輸出電壓層。地層或直流電壓層供應(yīng)了屏蔽小信號(hào)走線的交流地，使其免受高噪聲功率走線和功率元件的干擾。
作為一般規(guī)則，多層pCB板的接地層或直流電壓層均不應(yīng)被分隔開(kāi)。假如這種分隔不可防止，就要盡量減少這些層上走線的數(shù)量和長(zhǎng)度，并且走線的布放要與大電流保持相同的方向，使影響最小化。
大電流走線應(yīng)短而寬，盡量減少pCB的電感、電阻和壓降。關(guān)于那些有高di/dt脈沖電流的走線，這方面尤其重要。
高頻去耦電容CHF應(yīng)為0.1μF~10μF，X5R或X7R電介質(zhì)的陶瓷電容，它有極低的ESL(有效串聯(lián)電感)和ESR(等效串聯(lián)電阻)。較大的電容電介質(zhì)(如Y5V)可能使電容值在不同電壓和溫度下有大的下降，因此不是CHF的最佳材料。
圖3b為降壓轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵脈沖電流回路供應(yīng)了一個(gè)布局例子。為了限制電阻壓降和過(guò)孔數(shù)量，功率元件都布放在電路板的同一面，功率走線也都布在同一層上。當(dāng)要將某根電源線走到其它層時(shí)，要選擇在持續(xù)電流路徑中的一根走線。當(dāng)用過(guò)孔連接大電流回路中的pCB層時(shí)，要使用多個(gè)過(guò)孔，盡量減小阻抗。
圖5顯示的是升壓轉(zhuǎn)換器中的熱回路與寄生pCB電感（a）；為減少熱回路面積而建議采用的布局（b）
功率焊盤(pán)形式
注意功率元件的焊盤(pán)形式，如低ESR電容、MOSFET、二極管和電感。
關(guān)于去耦電容，正負(fù)極過(guò)孔應(yīng)盡量互相靠近，以減少pCB的ESL。這對(duì)低ESL電容尤其有效。小容值低ESR的電容通常較貴，不正確的焊盤(pán)形式及不良走線都會(huì)降低它們的性能，從而新增整體成本。通常情況下，合理的焊盤(pán)形式能降低pCB噪聲，減小熱阻，并最大限度降低走線阻抗以及大電流元件的壓降。
大電流功率元件布局時(shí)有一個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)，那就是不正確地采用了熱風(fēng)焊盤(pán)(thermalrelief)。非必要情況下使用熱風(fēng)焊盤(pán)，會(huì)新增功率元件之間的互連阻抗，從而造成較大的功率損耗，降低小ESR電容的去耦效果。假如在布局時(shí)用過(guò)孔來(lái)傳導(dǎo)大電流，要確保它們有充足的數(shù)量，以減少阻抗。此外，不要對(duì)這些過(guò)孔使用熱風(fēng)焊盤(pán)。
控制電路布局
使控制電路遠(yuǎn)離高噪聲的開(kāi)關(guān)銅箔區(qū)。對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器，好的辦法是將控制電路置于靠近VOUT+端，而對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器，控制電路則要靠近VIN+端，讓功率走線承載持續(xù)電流。
假如空間允許，控制IC與功率MOSFET及電感(它們都是高噪聲高熱量元件)之間要有小的距離(0.5英寸~1英寸)。假如空間緊張，被迫將控制器置于靠近功率MOSFET與電感的位置，則要特別注意用地層或接地走線，將控制電路與功率元件隔離開(kāi)來(lái)。
控制電路應(yīng)有一個(gè)不同于功率級(jí)地的獨(dú)立信號(hào)(模擬)地。假如控制器IC上有獨(dú)立的SGND(信號(hào)地)和pGND(功率地)引腳，則應(yīng)分別布線。關(guān)于集成了MOSFET驅(qū)動(dòng)器的控制IC，小信號(hào)部分的IC引腳應(yīng)使用SGND。
信號(hào)地與功率地之間只要一個(gè)連接點(diǎn)。合理方法是使信號(hào)地返回到功率地層的一個(gè)干凈點(diǎn)。只在控制器IC下連接兩種接地走線，就可以實(shí)現(xiàn)兩種地。
控制IC的去耦電容應(yīng)靠近各自的引腳。為盡量減少連接阻抗，好的方法是將去耦電容直接接到引腳上，而不通過(guò)過(guò)孔。
回路面積與串?dāng)_
兩個(gè)或多個(gè)鄰近導(dǎo)體可以出現(xiàn)容性耦合。一個(gè)導(dǎo)體上的高dv/dt會(huì)通過(guò)寄生電容，在另一個(gè)導(dǎo)體上耦合出電流。為減少功率級(jí)對(duì)控制電路的耦合噪聲，高噪聲的開(kāi)關(guān)走線要遠(yuǎn)離敏感的小信號(hào)走線。假如可能的話，要將高噪聲走線與敏感走線布放在不同的層，并用內(nèi)部地層作為噪聲屏蔽。
空間允許的話，控制IC要距離功率MOSFET和電感有一個(gè)小的距離(0.5英寸~1英寸)，后者既有大噪聲又發(fā)熱。
LTC3855控制器上的FET驅(qū)動(dòng)器TG、BG、SW和BOOST引腳都有高的dv/dt開(kāi)關(guān)電壓。連接到最敏感小信號(hào)結(jié)點(diǎn)的LTC3855引腳是：Sense+/Sense-、FB、ITH和SGND，假如布局時(shí)將敏感的信號(hào)走線靠近了高dv/dt結(jié)點(diǎn)，則必須在信號(hào)走線與高dv/dt走線之間插入接地線或接地層，以屏蔽噪聲。
在布放柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，采用短而寬的走線有助于盡量減小柵極驅(qū)動(dòng)路徑中的阻抗。
假如在BG走線下布放了一個(gè)pGND層，低FET的交流地返回電流將自動(dòng)耦合到一個(gè)靠近BG走線的路徑中。交流電流會(huì)流向它所發(fā)現(xiàn)的最小回路/阻抗。此時(shí)，低柵極驅(qū)動(dòng)器不要一個(gè)獨(dú)立的pGND返回走線。最好的辦法是盡量減少柵極驅(qū)動(dòng)走線通過(guò)的層數(shù)量，這樣可防止柵極噪聲傳播到其它層。
在所有小信號(hào)走線中，電流檢測(cè)走線對(duì)噪聲最為敏感。電流檢測(cè)信號(hào)的波幅通常小于100mV，這與噪聲的波幅相當(dāng)。以LTC3855為例，Sense+/Sense-走線應(yīng)以最小間距并行布放(Kelvin檢測(cè))，以盡量減少拾取di/dt相關(guān)噪聲的機(jī)會(huì)。
另外，電流檢測(cè)走線的濾波電阻與電容都應(yīng)盡可能靠近IC引腳。當(dāng)有噪聲注入長(zhǎng)的檢測(cè)線時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的濾波效果最好。假如采用帶R/C網(wǎng)絡(luò)的電感DCR電流檢測(cè)方式，則DCR檢測(cè)電阻R應(yīng)靠近電感，而DCR檢測(cè)電容C則應(yīng)靠近IC.
假如在走線到Sense-的返回路徑上使用了一個(gè)過(guò)孔，則過(guò)孔不應(yīng)接觸到其它的內(nèi)部VOUT+層。否則，過(guò)孔可能會(huì)傳導(dǎo)大的VOUT+電流，所出現(xiàn)的壓降可能破壞電流檢測(cè)信號(hào)。要防止在高噪聲開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)(TG、BG、SW和BOOST走線)附近布放電流檢測(cè)走線。如可能，在電流檢測(cè)走線所在層與功率級(jí)走線層之間放置地層。
假如控制器IC有差分電壓遠(yuǎn)程檢測(cè)引腳，則要為正、負(fù)遠(yuǎn)程檢測(cè)線采用獨(dú)立的走線，同時(shí)也采用Kelvin檢測(cè)連接。
走線寬度的選擇
對(duì)具體的控制器引腳，電流水平和噪聲敏感度都是唯一的，因此，必須為不同信號(hào)選擇特定的走線寬度。通常情況下，小信號(hào)網(wǎng)絡(luò)可以窄些，采用10mil~15mil寬度的走線；大電流網(wǎng)絡(luò)(柵極驅(qū)動(dòng)、VCC以及pGND)則應(yīng)采用短而寬的走線。這些網(wǎng)絡(luò)的走線建議至少為20mil寬。
