BUCK变换器PCB基本的设计和布局要求是什么
1、BUCK变换器关键回路和关键节点
不管是什么类型的变换器，PCB布局设计的关键就是要找到电路系统的关键回路和关键节点，那么什么是电路系统的关键回路和关键节点？通常，电流变化率di/dt大的环路以及电压变化率dV/dt大的节点，就是关键回路和关键节点，在PCB布局设计的时候，要优先考虑和布局。
BUCK变换器上管开通以及关断时，各环路的电流及波形如图1所示。
如果把L1称为输入回路，L2称为输出回路；下管的S源极到输入电容的地，称为输入地，下管的S源极到输出入电容的地，称为输出地，可以发现：
（1）L1回路的电流、包括输入地，都是脉冲的电流波形，电流波形的前沿和后沿，具有非常大的电流变化率di/dt。
（2）L2回路的电流、包括输出地，相当于直流电流上面，叠加了峰峰值比较小的交流三角波，电流波形的前沿和后沿，具有较小的电流变化率di/dt。
因此，具有非常大的电流变化率di/dt的输入回路，也就是L1回路，包括输入地，是强磁场发射的干扰源。
如果查看电压的波形，输入电压、输出电压及地回路，都是稳定的电压，而开关节点SW的电压，在上管开通和关断的过程中，产生非常大的电压变化率dV/dt，是强电场发射的干扰源。
2、BUCK变换器PCB基本的设计和布局要求
根据BUCK变换器的工作原理、各个回路的电流特性以及开关节点的电压特性，就很容易的得到BUCK变换器PCB布局的基本原则：
（1）输入回路L1，包括输入地，回路要尽可能的短，也就是输入电容CIN的正端尽可能靠近上管的漏极D、输入电容CIN的地端尽可能靠近下管的源极S，回路的布线要尽可能的粗，从而减小环路的寄生电感，减小磁场干扰。
必要的时候，在上管的漏极D和下管的源极S之间最近的距离，放置一个小尺寸的去耦陶瓷电容。
输入回路尽可能短、布线粗，可以减小杂散电阻，减小其导通损耗，有利于散热。
（2）输出回路L2，包括输出地，磁场干扰不大，但是，输出电流通常比较大，要尽可能减小环路，布线尽可能的粗，减小杂散电阻，减小其导通损耗，也有利于散热，可以提高系统的效率。在一定的程度上，也可以减小磁场干扰。
（3）开关节点SW的面积要尽可能的小，从而减小节点的寄生电容，减小电场干扰。但是，这个节点要铺设铜皮，加强功率MOSFET的散热，因此，要在散热和EMI（电场发射干扰）的设计之间取得平衡，必要的时候，需要加吸收电路，减小电压变化率。
其他的注意事项还有：
（4）所有的反馈信号以及vwin 小信号，要远离上面干扰大的回路和节点，并尽可能用较细的布线。控制IC或变换器的下面不要流过开关电流。电流取样信号要采用开尔文Kevin的连接方式，电流取样信号的RC滤波网络，要尽可能靠近IC的管脚。
（5）输入和输出电容的地，通过多个过孔连接到底层或内层的地平面，如果器件底部有电气特性为地的铜皮，也可以通过多个过孔连接到底层或内层的地平面，加强散热。
（6）DC电源和DC地，相当于交流地，可以屏蔽干扰信号，因此尽可能不要做分割。如果分割不可避免，尽可能减小信号线的数量和长度，小信号尽可能和大信号平面用交流地进行隔离。
（7）功率MOSFET的栅极Gate驱动环路要尽可能短，并使用平行走线。功率MOSFET的源极D和漏极S，尽可能用铜皮布线，如图3所示。
（8）2层板的电源系统，顶层为元件和功率回路层，底层为小信号和地平面层。4层或6层板，可以采用下面的方案。
3、BUCK变换器PCB设计布局实例
3.1分立方案
上管、下管采用分立功率MOSFET，上管、下管常用的排布有二种布局：
（1）上管、下管一个水平，一个垂直，成90度，如图4示；
（2）上管、下管水平排列，如图5所示。
基本的原则是：先布局主功率回路，特别是输入电容、功率MOSFET回路，然后布局电感和输出电容回路，考虑功率地、小信号地的分区；最后，在小信号地一侧，布局相关的信号线。
图4中的二种布局，图4（a）的输入环路以及输入地，比图4（b）要小很多，因此，图4（a）布局更优化。
图5的布局中，Cin距离较远，输入环路以及输入地比较大，但是这种布局适合多管并联，可以通过在PCB背面加高频滤波电容，减小BUCK电路的电流环路。
3.2集成方案
集成方案是指集成上管和下管的BUCK变换器IC，下面这些设计来源于一些厂家器件数据表推荐的布局，以及一些客户工程师实际的设计。
基本的原则和上面相同：先布局主功率回路，特别是输入电容、IC的地回路，然后布局输出电容，考虑功率地、小信号地的分区；最后，在小信号地一侧，布局相关的信号线。
按图4的分析方法，分别画出图6中上管开通、关断的电流路径，可以发现：
（1）图6（a）的电流路径要穿过IC底部，回到下面输入电容的地，电流路径较长，功率地（IC的GND管脚左上角区域）、小信号地（IC的GND管脚右边区域）也做到严格分区，优点是：开关节点SW在顶层直接连接到电感。
（2）图6（b）的电流路径最短，功率地（IC的GND管脚左上角区域PGND）、小信号地（IC的GND管脚右边区域SGND）严格分区，如图7所示，缺点是：开关节点SW要通过过孔，连接到电感。
（3）图6（c）中，IC右边管脚附近元件、连接到BOOT管脚的一个电阻和一个电容，让输出电容的地，不能直接回到IC的GND管脚，输出电容的地和IC的GND管脚的连接有二个回路：一个是通过IC底部的过孔、输出电容的地附近过孔，和底层的地平面，形成连接回路；另一个是输出电容的地，通过顶层铜皮，从IC下方绕回到IC的GND管脚以及输入电容的地。
这种布局设计电流路径最长，功率地、小信号地没有分区，开关节点SW要通过过孔，连接到电感，因此，布局设计比较差。
SOT23器件底部有电气特性为地的铜皮，在PCB对应的焊盘上，可以布设多个过孔，连接到底层或内层的地平面，加强散热，如图8所示，在许可的条件下，尽可能多布设过孔，过孔直径要选择合适，保证焊接后，既不漏锡，锡也要填满过孔。
图9列出了SO8封装的几种PCB设计布局，有兴趣的可以按照上面的方法，分析一下它们的优缺点。
责任编辑人：CC
-
pcb
+关注
关注
4319文章
23080浏览量
397492 -
Buck变换器
+关注
关注
3文章
78浏览量
18247 -
电路系统
+关注
关注
0文章
69浏览量
12921
发布评论请先 登录
相关推荐
BUCK变换器的DCM模式建模
Buck变换器的EMC分析
buck变换器设计_自制buck变换器
buck变换器工作原理_Buck变换器的降压原理分析
理想buck变换器模型与非理想buck变换器模型
BUCK变换器多层PCB热设计技巧
Buck变换器的工作原理与设计的学习课件免费下载
BUCK变换器的PCB布局及设计是什么
BUCK变换器多层PCB热设计技巧有哪些
工商网监
评论