干貨 | DC-DC的Layout要點(diǎn)

在開(kāi)關(guān)電源的設計中，PCB布局設計與電路設計同樣重要。合理的布局可以避免電源電路引起的各種問(wèn)題。不合理的布局可能導致輸出和開(kāi)關(guān)信號疊加引起噪聲增加、調節性能惡化、穩定性欠佳等。采用恰當的布局可以避免這些問(wèn)題的發(fā)生。

DC-DC的環(huán)流

圖24-1：開(kāi)關(guān)元件Q1導通時(shí)的電流路徑

如圖24-1的紅色線(xiàn)表示開(kāi)關(guān)元件Q1導通時(shí)流過(guò)的主要電流和路徑以及方向。

Cbypass是高頻用去耦電容器，CIN是大容量電容器。開(kāi)關(guān)元件Q1導通的瞬間，流過(guò)急劇的電流，其大部分由Cbypass提供，其次由CIN提供，緩慢變化的電流則由輸入電源提供。

圖24-2：開(kāi)關(guān)元件Q1關(guān)斷時(shí)的電流路徑

圖24-2的紅色線(xiàn)表示開(kāi)關(guān)元件Q1關(guān)斷時(shí)的電流路徑。續流二極管D1導通，電感器L中蓄積的能量會(huì )釋放到輸出側。因為降壓轉換器的輸出拓撲結構中串聯(lián)了電感，所以輸出電容器的電流雖然上下波動(dòng)，但比較平滑。

圖24-3：電流差分、布局方面的重要路徑

圖24-3的紅色線(xiàn)表示圖24-1和圖24-2的差分。開(kāi)關(guān)元件Q1從關(guān)斷到開(kāi)通，從開(kāi)通到關(guān)斷切換時(shí)，紅色線(xiàn)部分的電流都會(huì )急劇變化。由于這個(gè)變化很快，所以會(huì )出現含有較多高次諧波的波形。該差分系統在PCB布局時(shí)是重要之處，需要給予最大限度的重視。

PCB布局要點(diǎn)

PCB布局要點(diǎn)大致如下：

· 將輸入電容器，續流二極管和IC芯片放置在PCB的同一個(gè)面上，并盡可能靠近IC芯片放置。

· 為改善散熱條件可以考慮加入散熱過(guò)孔陣列。

· 電感可使來(lái)自開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的輻射噪聲最小化，重要程度僅次于輸入電容，需要放置在IC的附近處，電感布線(xiàn)的銅箔面積不要過(guò)大。

· 輸出電容器盡量靠近電感器放置。

· 反饋路徑的布線(xiàn)盡量遠離電感器、續流二極管等噪音源。

輸入電容器的布局

設計布局時(shí)，首先應放置最重要的部件：輸入電容器和續流二極管。在設計電流較小的電源（Iout≤1A）時(shí)，需要的輸入電容也比較小，有時(shí)一個(gè)陶瓷電容器可以同時(shí)作為CIN和Cbypass來(lái)使用。這是因為陶瓷電容器的電容值越小，頻率特性越好。但是，由于不同陶瓷電容器的頻率特性不同，使用前確認好實(shí)際使用產(chǎn)品的頻率特性。

圖24-4：陶瓷電容的頻率特性

CIN:1μF 50V X5R 10μF 50V X5R

CBY:0.1μF 50V X7R 0.47μF 50V X7R

如圖24-4所示，當使用大容量電容器作為CIN時(shí)，一般而言其頻率特性并不好，所以通常需要與CIN并聯(lián)配置一顆頻率特性?xún)?yōu)異的高頻去耦電容器Cbypass，Cbypass通常使用表面貼裝型的疊層陶瓷電容器（MLCC），一般選擇X5R或X7R型，容值為0.1μF～0.47μF的電容。

圖24-5：理想的輸入電容器的布局

如果Cbypass、IC的VIN引腳與GND引腳的距離較遠，受布線(xiàn)寄生感抗的影響會(huì )產(chǎn)生電壓噪聲/振鈴，所以盡量縮短二者之間的布線(xiàn)距離。降壓轉換器的應用中，即使將Cbypass放置在離IC最近的位置，CIN的地上也存在著(zhù)數百MHz的高頻。因此建議CIN的接地和輸出電容器Cout的接地要距離1cm～2cm進(jìn)行布局。

圖24-6：CBYPASS放在與IC相同面的最近處時(shí)

CIN放置在距離2cm處也不會(huì )有太大的問(wèn)題。

圖24-7：將CIN放在IC的背面紋波電壓可能會(huì )增大

圖24-8：不理想的輸入電容布局受過(guò)孔和電感的影響噪聲會(huì )增加

續流二極管的布局

二極管D1要放置在與IC同一層且最靠近IC引腳的位置，圖24-9是Cbypass、CIN及二極管D1的理想布局。如果IC引腳到二極管的距離過(guò)長(cháng)，由布線(xiàn)的寄生電感引起的噪音毛刺會(huì )疊加到輸出上。續流二極管要使用最短且較寬的布線(xiàn)，直接連接到IC的開(kāi)關(guān)引腳和GND引腳。如果借助過(guò)孔和底層連接，受過(guò)孔寄生電感的影響，毛刺噪聲將增加，因此續流二極管的布線(xiàn)絕對不能借助過(guò)孔。

圖24-9：理想的續流二極管布局

圖24-10還展示了其他不合理的布局，續流二極管與IC的開(kāi)關(guān)引腳及GND引腳距離較遠，這會(huì )導致布線(xiàn)上的寄生電感增加從而導致噪音毛刺變大。為了改善布局不當產(chǎn)生的毛刺噪聲，有時(shí)可能會(huì )追加RC緩沖電路作為應急處理。

圖24-10：不理想的續流二極管布局

如圖24-11所示緩沖電路需要放置在IC的開(kāi)關(guān)引腳和GND引腳的近處。即使放置在二極管的兩端，也不能吸收由于布線(xiàn)的寄生電感產(chǎn)生的毛刺噪聲（圖24-12）。

圖24-11：理想的緩沖電路布局

圖24-12：不理想的緩沖電路布局

熱焊盤(pán)

PCB的銅箔雖然有助于散熱，但因為厚度不夠，超過(guò)一定面積就無(wú)法得到與面積相當的散熱效果。利用基板散熱是通過(guò)基板的板材實(shí)現的，使用散熱過(guò)孔，能夠有效地將熱傳遞到基板的另一面并大幅降低熱阻。