BUCK轉換器的PCB布局設計

作者簡(jiǎn)介：劉松，男，湖北武漢人，碩士，應用中心總監，主要從事開(kāi)關(guān)電源系統、電力電子系統和模擬電路的應用研究和開(kāi)發(fā)工作。獲廣東省科技進(jìn)步二等獎一項，發(fā)表技術(shù)論文60多篇。E-mail：songliu@aosmd.com。

1   BUCK轉換器關(guān)鍵回路和關(guān)鍵節點(diǎn)

不管是什么類(lèi)型的高頻開(kāi)關(guān)電源轉換器，PCB 布局設計的關(guān)鍵就是要找到電路系統的關(guān)鍵回路和關(guān)鍵 節點(diǎn)，什么是電路系統的關(guān)鍵回路和關(guān)鍵節點(diǎn)呢？通常，電流變化率di/dt 大的環(huán)路，以及電壓變化率dV/dt 大的節點(diǎn)，就是關(guān)鍵回路和關(guān)鍵節點(diǎn)，在PCB 布局設計時(shí)要優(yōu)先考慮和布局。BUCK 轉換器上管開(kāi)通及關(guān)斷時(shí)，各環(huán)路的電流及波形如圖1 所示。

如果把L1 稱(chēng)為輸入回路，L2 稱(chēng)為輸出回路；下管的S 源極到輸入電容的地稱(chēng)為輸入地，下管的S 源極到輸出電容的地稱(chēng)為輸出地，可以發(fā)現如下特點(diǎn)。

1）L1 回路的電流，包括輸入地，都是高頻脈沖的電流波形，電流波形的前沿和后沿具有非常大的電流變化率di/dt。

2）L2 回路的電流，包括輸出地，相當于在直流電流上面疊加了峰峰值比較小的交流三角波，電流波形的前沿和后沿具有較小的電流變化率di/dt。

因此，具有非常大的電流變化率di/dt 的輸入回路也就是L1 環(huán)路，包括輸入地，是強磁場(chǎng)發(fā)射的干擾源。如果查看電壓波形，輸入電壓、輸出電壓及地回路都是穩定的電壓。在上管開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)SW 的電壓產(chǎn)生非常大的電壓變化率dV/dt，是強電場(chǎng)發(fā)射的干擾源。^[1-5]

2   BUCK轉換器PCB基本設計和布局要求

根據BUCK 轉換器的工作原理、各個(gè)回路的電流特性及開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的電壓特性很容易得到BUCK 轉換器PCB 布局的基本原則，如下所示。

1）輸入回路L1，包括輸入地，回路要盡可能短，也就是輸入電容CIN 的正端盡可能靠近上管的漏極D、輸入電容CIN 的地端盡可能靠近下管的源極S，回路的布線(xiàn)要盡可能粗，從而減小環(huán)路寄生電感和磁場(chǎng)干擾。必要時(shí)，在上管的漏極D 和下管的源極S 之間最近的距離放置1 個(gè)小尺寸去耦陶瓷電容。輸入回路盡可能短、布線(xiàn)粗可以減小雜散電阻，減小其導通損耗，也有利于散熱。

2）輸出回路L2，包括輸出地，磁場(chǎng)干擾不大，但是，由于輸出電流通常比較大，盡可能減小環(huán)路面積，布線(xiàn)盡可能粗厚，就可以減小雜散電阻，減小其導通損耗，也有利于散熱，可以提高系統效率。在一定的程度上，也可以減小磁場(chǎng)干擾。

3）開(kāi)關(guān)節點(diǎn)SW 的面積要盡可能小，從而減小節點(diǎn)的空間寄生電容和電場(chǎng)發(fā)射及干擾。但是，這個(gè)節點(diǎn)要鋪設銅皮，加強功率MOSFET 的散熱，因此，要在散熱和EMI（電場(chǎng)發(fā)射及干擾）的設計之間取得平衡，必要時(shí)，需要加RC 吸收電路，減小電壓變化率。其他的注意事項如下。

4）所有的反饋信號及模擬小信號要遠離上面干擾大的回路和節點(diǎn)，并盡可能用較細的布線(xiàn)?？刂艻C 或轉換器的下面不要流過(guò)開(kāi)關(guān)電流。電流取樣信號要采用開(kāi)爾文（Kevin）連接方式，電流取樣信號的RC 濾波網(wǎng)絡(luò )要盡可能靠近IC 管腳。

5）輸入和輸出電容的地通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接到底層或內層的地平面，如果器件底部有電氣特性為地的銅皮，也可以通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接到底層或內層的地平面，以加強散熱。

6）DC 電源和DC 地相當于交流地，可以屏蔽干擾信號，因此盡可能不要做分割。如果分割不可避免，盡可能減小信號線(xiàn)的數量和長(cháng)度，小信號盡可能和大信號平面用交流地進(jìn)行隔離。

7）功率MOSFET 的柵極Gate 驅動(dòng)環(huán)路要盡可能短，并使用平行走線(xiàn)。功率MOSFET 的源極D 和漏極S，盡可能用銅皮布線(xiàn)，如圖2 所示。

8）電源系統為2 層板，頂層為元件和功率回路層，底層為小信號和地平面層。4 層或6 層 板可以采用表1和表2 的方案。

表1 4層板的分配

表2 6層板的分配

3   BUCK轉換器分立方案PCB布局設計

上管、下管采用分立功率MOSFET，上管、下管常用的排布有2 種布局：

1）上管、下管呈90°，如圖3（a）所示；

2）上管、下管呈水平排列，如圖3（c）所示。

基本原則是：先布局主功率回路，特別是輸入電容、功率MOSFET 回路，然后布局電感和輸出電容回路，同時(shí)，考慮功率地、小信號地的分區；最后，在小信號地一側布局相關(guān)的信號線(xiàn)。圖3 中的2 種布局，圖3（a）的輸入環(huán)路及輸入地比圖3（b）要小很多，因此，圖3（a）布局更優(yōu)化。圖3（c）的布局中，C_in 距離較遠，輸入環(huán)路及輸入地比較大，但是這種布局適合多管并聯(lián)，可以通過(guò)在PCB背面加高頻濾波電容，減小BUCK電路的電流環(huán)路。

（a）垂直排列分立器件優(yōu)化布局

（b）垂直排列分立器件較差布局

（c）水平排列分立器頂層布局

（d）高頻電容

（e）水平排列分立器件高頻去耦電容放置背面底層

圖3 水平排列和垂直排列分立器件BUCK布局

4   BUCK轉換器集成方案PCB布局設計

集成方案是指集成上管和下管的BUCK 轉換器IC，下面這些設計來(lái)源于一些廠(chǎng)家器件數據表推薦和客戶(hù)實(shí)際應用的布局?；驹瓌t是：先布局主功率回路，特別是輸入電容、IC 的地回路，然后布局輸出電容，同時(shí)，考慮功率地、小信號地的分區；最后，在小信號地一側布局相關(guān)的信號線(xiàn)。

（a）布局1

（b）布局2

（c）布局3

（d）布局2電流路徑

（e）下部有銅皮布局

圖4 SOT23幾種PCB布局

按圖3 的分析方法，分別畫(huà)出圖4 中上管開(kāi)通、關(guān)斷的電流路徑，可以發(fā)現如下規律。

1）圖4（a）的電流路徑要穿過(guò)IC 底部，回到下面輸入電容的地，電流路徑較長(cháng)，功率地（IC 的GND 管腳左上角區域）、小信號地（IC 的GND 管腳右邊區域）也做到嚴格分區，優(yōu)點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)節點(diǎn)SW 在頂層直接連接到電感。

2） 圖4（b） 的電流路徑最短， 功率地（IC 的GND 管腳左上角區域PGND）、小信號地（IC 的GND管腳右邊區域SGND）嚴格分區，如圖4（d）所示，缺點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)節點(diǎn)SW 要通過(guò)過(guò)孔連接到電感。

3）圖4（c）中，IC 右邊管腳附近元件是連接到BOOT 管腳的1 個(gè)電阻和1 個(gè)電容，讓輸出電容的地不能直接回到IC 的GND 管腳，輸出電容的地和IC 的GND 管腳的連接有2 個(gè)回路：一個(gè)是通過(guò)IC 底部的過(guò)孔、輸出電容的地附近過(guò)孔，和底層的地平面形成連接回路；另一個(gè)是輸出電容的地，通過(guò)頂層銅皮從IC 下方繞回到IC 的GND 管腳及輸入電容的地。

這種布局設計電流路徑最長(cháng)，功率地、小信號地沒(méi)有分區，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)SW 要通過(guò)過(guò)孔連接到電感，因此布局設計比較差。SOT23 器件底部有電氣特性為地的銅皮，在PCB對應的焊盤(pán)上，可以布設多個(gè)過(guò)孔，連接到底層或內層的地平面，加強散熱，如圖4（e）所示，在許可的條件下，盡可能多布設過(guò)孔，過(guò)孔直徑要選擇合適，保證焊接后既不漏錫，錫也要填滿(mǎn)過(guò)孔，有利于傳導熱量。圖5 列出了SO8 封裝的幾種PCB 設計布局。

（a）布局1

（b）布局2

（c）布局3

圖5 下部有銅皮SO8幾種PCB布局

5   結束語(yǔ)

1）BUCK 轉換器具有高電流變化率di/dt 的輸入回路，同時(shí)具有高電壓變化率dV/dt 的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，是其關(guān)鍵回路和關(guān)鍵 節點(diǎn)，使用盡可能小的環(huán)路短粗布線(xiàn)。

2）優(yōu)化的PCB 布局需要將功率地和信號地進(jìn)行有效分區，減小干擾。多層板靠近功率元件層（頂層或底層）的第2 層或倒數第2 層，布設為整片地層，提供屏蔽和加強散熱。

3）器件底部有電氣特性為地的銅皮，可以通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接到底層或內層地平面，加強散熱。

參考文獻：

[1] 劉松.EMI及無(wú)Y電容手機充電器的設計[J].電子設計應用,2007(9):112-115.

[2] 劉松.汽車(chē)電子系統降壓型BUCK變換器的設計技巧[J].電子設計應用,2007(5):111-114.

[3] 劉松.基于四管同步升降壓變換器汽車(chē)適配器設計[J].電力電子技術(shù),2007,47(7):36-38.

[4] 劉松,丁宇,高麗,等.電感極性對BUCK變換器反饋環(huán)移定性影響[J].電焊機,2018,48(12):34-37.

[5] 劉松,孫國營(yíng).快充次級同步整流MOSFET對EMI輻射干擾的影響[J].今日電子,2017(8):32-33.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）