了解 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器電路的最佳布局實(shí)踐

了解 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器電路的最佳布局實(shí)踐

了解 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器電路的最佳布局實(shí)踐，在實(shí)施 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，電路布局與設(shè)計(jì)一樣重要。糟糕的布局可能會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)。

良好的電路布局

輻射和感應(yīng)噪聲的控制

減少電路不同部分之間的干擾

減少電路面積

有效的熱管理

改進(jìn)的電壓調(diào)節(jié)和電路效率

避免使用緩沖器等額外的“創(chuàng)可貼”電路

增強(qiáng)的穩(wěn)定性

注意：不要對(duì)這些關(guān)鍵路徑使用自動(dòng)布線、手動(dòng)布線和設(shè)計(jì)。

電源轉(zhuǎn)換器電路中的電流環(huán)路

電源轉(zhuǎn)換器電路產(chǎn)生大電流，這些電流在不同階段在兩個(gè)主要環(huán)路中循環(huán)：關(guān)斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)，具體取決于 MOSFET 開關(guān)的狀態(tài)（見圖 1）。

圖 1(a)：通態(tài)電流回路                 (b) 關(guān)閉狀態(tài)循環(huán)

這些環(huán)路的 3D 幾何形狀很重要。根據(jù)安培定律，在物理環(huán)路中運(yùn)行的電流將形成與電流和環(huán)路面積成比例的磁場(chǎng)。然后，根據(jù)法拉第定律，該場(chǎng)可以與其他電路回路耦合，在更高頻率下耦合更多，從而導(dǎo)致有害的串?dāng)_。

因此，一般的思路應(yīng)該是盡量減少這些循環(huán)的封閉區(qū)域。一種直接的方法是使返回路徑盡可能與出站路徑共線。

想象一個(gè)環(huán)形天線被壓扁成一條垂直線——它將不再是天線。這就是我們將電線絞合在一起以消除耦合噪聲的原因。

返回路徑

請(qǐng)注意，如果給定一個(gè)無限大的地平面，返回電流自然會(huì)集中在出站電流的正下方（見圖 2）。我們應(yīng)該從大自然中汲取靈感，提供自然回歸的道路；否則，將引入環(huán)路并輻射。

電路板的預(yù)期結(jié)果是出站和返回電流按有序的已知路徑運(yùn)行。

圖 2：自然返回電流路徑

通常，一個(gè)電路有多個(gè)接地平面：例如，模擬、數(shù)字和電源。盡管多年來對(duì)此的傳統(tǒng)看法有所不同，但如果提供了這些自然返回路徑，我們就不需要?jiǎng)澐值仄矫妗Ｊ聦?shí)上，如果計(jì)劃外的返回電流必須繞過它走很長的路線，分區(qū)會(huì)使事情變得更糟。

除了智能分區(qū)之外的自然電流路徑可能是最好的解決方案。

速射最佳實(shí)踐

當(dāng)然，一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素是電源軌進(jìn)入或起源于電路板的位置。如果這些考慮因素在設(shè)計(jì)師的控制之下，那么應(yīng)該選擇那些來促進(jìn)良好的布局。請(qǐng)注意，同樣的環(huán)路原理也應(yīng)該應(yīng)用于 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗灿写蠖獾碾娏鳌?

為了進(jìn)一步控制輻射發(fā)射，“20H 規(guī)則”規(guī)定，對(duì)于間距為 H 的層，我們將所有走線與電路板邊緣保持至少 20H。通常需要使用電源過孔將電源路徑推到其他層以獲得緊湊的布局——您只需像管理電源路徑中的任何其他元素一樣管理這些過孔的影響。電感、電阻和過孔總數(shù)都會(huì)影響路徑性能。

靈敏的控制電路需要干凈的接地。如果我們通過控制共享的返回路徑發(fā)送大的脈沖功率返回電流，將產(chǎn)生電壓尖峰，這將擾亂控制的接地，將噪聲注入控制電路，這是非常不希望的。我們使用星形接地來避免這種情況（參見圖 3）——它使返回路徑保持不共享和獨(dú)立。

圖 3：星形接地

在將電源電壓旁路到 IC 時(shí)，始終優(yōu)先考慮高頻元件。避免過孔并直接連接到 IC 引腳。

將 IC 制造商的示例布局（如評(píng)估板）作為指導(dǎo)。但是，請(qǐng)記住，電路板的疊層和設(shè)計(jì)目標(biāo)可能與您的不同——例如，在不損害其他參數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)最佳熱性能。

對(duì)于電源走線，必須設(shè)計(jì)寬度、長度和厚度以限制壓降和走線電感。對(duì)于當(dāng)今的低輸出電壓，電壓降比以往任何時(shí)候都更加重要。

我們需要讓指導(dǎo)我們的另一條主要法則是電容耦合——彼此靠近的兩個(gè)板（電路節(jié)點(diǎn)）將與板面積和它們之間的距離成比例耦合，在更高頻率和更高接收節(jié)點(diǎn)下耦合更多阻抗。  

例如，電壓反饋是通過將感測(cè)引腳連接到輸出來實(shí)現(xiàn)的，并且該信號(hào)的路由應(yīng)遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)和電感器等噪聲源。感測(cè)引腳節(jié)點(diǎn)是高阻抗的，因此更容易受到電容耦合的影響——使其盡可能小并與噪聲源隔離。中間的直流平面也可以減少耦合。

具有高dv/dt瞬態(tài)的節(jié)點(diǎn)，如開關(guān)節(jié)點(diǎn)，需要保持較小和隔離，同時(shí)仍保持足夠的電流容量，這樣它們就不會(huì)成為噪聲源。  

如果一個(gè)電源軌有多個(gè)負(fù)載點(diǎn)，則必須對(duì)感測(cè)點(diǎn)放置做出妥協(xié)——您可以優(yōu)先選擇一個(gè)負(fù)載或集中放置。如果傳感信號(hào)是差分的，那很好，但它應(yīng)該像傳輸線一樣布線。將任何感測(cè)電路電阻器放置在 IC 附近。

一塊板應(yīng)該有多少層？更多的層意味著更多的布線空間和更多可以提供屏蔽的電源和接地平面，但也意味著更多的過孔和更多的成本。對(duì)于現(xiàn)代轉(zhuǎn)換器 IC，您可能應(yīng)該至少有四層。此外，層數(shù)通常不受電源設(shè)計(jì)人員的控制，而是由其他考慮因素決定的。通常，您擁有的層數(shù)越少，您就越有創(chuàng)意才能獲得有效的布局。

散熱注意事項(xiàng)

布局也受散熱因素的影響，最明顯的是 IC 和 MOSFET 的導(dǎo)熱墊，大部分熱量通過這些導(dǎo)熱墊傳導(dǎo)到電路板，然后散發(fā)到空氣中。導(dǎo)熱墊尺寸和層數(shù)、過孔數(shù)、最高環(huán)境溫度和可用氣流都需要考慮。最終，MOSFET 可能需要外部散熱器。數(shù)據(jù)表將包含至少一個(gè)熱示例，您可以使用它來指導(dǎo)您的熱設(shè)計(jì)。

此外，請(qǐng)務(wù)必了解是否對(duì) IC 焊盤進(jìn)行電氣連接——數(shù)據(jù)表中并不總是指定這一點(diǎn)。如果您有空間，一個(gè)不錯(cuò)的技巧是將焊盤延伸到頂層 IC 的邊緣之外，為您提供一個(gè)加熱它的地方，以便更容易提起 IC。

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