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开关电源升压型DC/DC PCB板的设计要点详解

2021-5-21 11:20:28 显示全部楼层
PCB布局设计的重要性
开关电源的PCB布局与电路设计同样重要
在设计开关电源时,实装升压型DC/DC转换器的PCB板的布局设计与电路设计同样重要。如果升压型DC/DC转换器的PCB的布局不合理,则可能无法发挥出电源IC本来的性能,甚至可能无法正常运行。在开关电源的试制阶段发生的问题很多是由于升压型DC/DC转换器的PCB布局不当造成的。
PCB布局引发的问题有噪声(包括尖峰和振荡)、调节性能变差、运行不稳定等,尤其是噪声,涉及到近年来的EMC(电磁兼容性)合规性问题。这类问题通常可以通过正确的PCB布局来解决。
本系列文章计划介绍的内容如下:
  • ・升压型DC/DC转换器的电流路径
  • ・PCB布局步骤
  • ・输入电容器的配置
  • ・输出电容器和续流二极管的配置
  • ・电感的配置
  • ・散热孔的配置
  • ・反馈路径的布线
  • ・接地
  • ・同步整流方式
[size=90%]※具体内容可能会有所变更。
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同步整流式升压型DC/DC转换器 BU33UV7NUX的评估板BU33UV7NUX-EVK-101的电路图、PCB布局图、实际的PCB板示例。
※升压型DC/DC转换器的PCB布局图不包括作为评估板提供的跳线用底座和测试点等。

DC/DC转换器的PCB板布局概述
关于DC/DC转换器的设计,电路结构和元器件选型当然非常重要,PCB板布局同样很重要。即使电路图纸和元器件常量正确,如果PCB板布局不当也无法发挥预期性能,甚至无法正常工作。这样说好像很夸张,但事实上“试制了却运行不理想”之类的问题多数是由PCB板布局引起的。
另外,“噪声较多,但暂且动起来了”之类的状态,作为电源可能“暂且”还可以,但因产生的噪声导致系统的S/N下降,甚至发展到无法满足系统规格的问题案例也不在少数。
就PCB板布局引发的问题而言,包括输出噪声(含峰波和振荡)、调节劣化、工作不稳定。很多情况下,这些问题可通过恰当的布局来解决。本章就以下项目进行“恰当的布局”说明。
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Figure 3-a. 理想的输入电容器配置

  • 降压型转换器工作时的电流路径
  • 开关节点的振铃
  • 输入电容器和二极管的配置
  • 散热孔的配置
  • 电感的配置
  • 输出电容器的配置
  • 反馈路径的布线
  • 接地
  • 铜箔的电阻和电感
  • 导通孔的电阻、电感、容许电流
  • 噪声对策:拐角布线、传导、辐射
  • 噪声对策:缓冲、Boot电阻、栅极电阻

首先是PCB板布局的要点。请注意这些要点的基础上阅读本章会更容易理解。

PCB布局的要点
  • 将输入电容器和二极管在与IC引脚相同的面,尽可能地配置在IC最近处
  • 必要时配置散热孔
  • 电感可使来自开关节点的辐射噪声最小化,因此,虽然重要程度仅次于输入电容器,也需要配置于IC的附近
  • 铜箔图形面积不要过大
  • 输出电容器配置于电感附近
  • 反馈路径的布线尽量远离电感和二极管等的噪声源
  • 拐角布线圆弧状

接下来将介绍考虑布局时的基础–开关电源电路的电流路径。

[size=90%]


升压型DC/DC转换器的电流路径
不仅局限于升压型DC/DC转换器,在很多产品的PCB布局设计中,了解其电路的电流路径和特性都是非常重要的。在进入具体的布局讲解之前,我们先来看一下升压型DC/DC转换器的电流路径。
开关晶体管Q2 ON时的电流路径
下图是升压型DC/DC转换器的电路示意图,红线表示开关晶体管Q2 ON时通过的主要电流。CIBYPASS是高频去耦电容,通常使用小容量陶瓷电容器。CIN是主要用来稳定的电容器,具有较大的电容量。在开关晶体管Q2导通的瞬间迅速流动的大部分电流来自CIBYPASS,其次来自CIN。在输入电流不是很大时,CIN可以与CIBYPASS合并,作为1个电容器复用。缓和变化的电流来自输入电源。在此期间,电能存储至电感L。
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开关晶体管Q2 OFF时的电流路径
接下来请看开关晶体管Q2关断时的电流状态(图中红线)。电感L的作用是即使开关晶体管Q2 OFF时也可保持在此之前的电流值。电感L的左端固定为VIN电压,并持续为VOUT提供电流以增加电压,因此VOUT的电压比VIN要高(升压工作)。因此,开关晶体管Q2的ON时间越长,积蓄在电感L中的电能越大,能够输出的功率越大。然而,如果开关晶体管Q2的ON时间不必要地延长,则向输出端供给功率的时间会变少,效率会变差。因此,ON/OFF时间比(占空比)的最大值是设有限制的。在输出电流小的电路中,如果COUT使用具有良好频率特性的陶瓷电容器,则高频去耦电容CBYPASS可以复用。
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开关晶体管Q2 ON时和OFF时的电流差分
最后来看开关晶体管Q2 ON时和OFF时的电流差分(图中红线)。每当开关晶体管Q2从OFF变为ON、从ON变为OFF时,红线所示路径的电流就会急剧变化。由于该系统的变化非常剧烈而出现含有很多谐波的波形。这种差分系统的布局是PCB布局的关键,需要格外注意。
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安装PCB板布局的步骤
上一篇文章中,我们介绍了在进行升压型DC/DC转换器的安装PCB板布局时的基本思路,即与开关相关的电流路径。本文将在分别进行升压型DC/DC转换器的PCB板布局的解说之前,先介绍升压型DC/DC转换器的PCB板布局的整体步骤和要点。
升压型DC/DC转换器的安装PCB板布局步骤
安装PCB板布局的步骤大致如下。右图为示意图。
  • 1. 将输入电容器CIN、CIBYPASS配置在IC的附近。
  • 2. 尽量使输出电容器COUT与开关MOSFET的接地环路更小。
  • 3. 尽量将输出电容器COUT、续流二极管D2与电感L靠近配置,且要配置在同一面。
  • 4. 尤其是电感L的铜箔图形面积尽量不要过大,以使来自开关节点的辐射噪声更小。
  • 5. 必要时配置散热孔。
  • 6. 反馈路径尽量远离输出电容器COUT的附近,布线尽量远离输出电容器COUT和续流二极管D2等的噪声源。
  • 7. 部分设备需要外部补偿元器件RC、CC。将这些元器件配置到IC接地附近。
  • 8. 需要反馈分压器时,请配置于IC接地附近。
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输入电容器的配置
无论DCDC转换器的拓扑结构(升压和降压等)如何,输入电容器都是非常重要的元器件。在升压转换器的情况下,输入电容器不仅会流过相当于输出电压与输入电压之比的大电流,而且还会因高频开关电流(电感纹波电流)而充放电。因此,为了应对这种大电流并确保对高频开关电流的高速响应性能,通常是采用2个输入电容器:大容量的CIN和高频去耦用CIBYPASS。
与降压型DC/DC转换器的输入电容器相同,如果1枚电容器就可以同时满足大电流供应与高速响应性的要求,则可以通过复用1枚陶瓷电容器来实现CIN和CIBYPASS的功能。在这种情况下,应优先考虑高频尖峰噪声。在这里,以1个电容器无法作为CIBYPASS和CIN复用为前提进行说明。
CIBYPASS必须配置在装有IC的同一面,并尽可能地配置在IC的输入引脚旁边。
特别要注意的是,配置和布线时要使GND环路尽量小。就像“升压型DC/DC转换器的电流路径”中提到的,CIBYPASS是电流波形陡峭部分的源头,有可能发生高频尖峰噪声,因此特别重要。
理想的输入电容器配置示例如图所示。如果CIBYPASS是理想配置,那么CIN的作用就仅限于大电流供应,以此为前提,CIN也可以配置在距离IC约有2cm的位置。另外,也可允许通过通孔将其配置于背面。

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理想的输入电容器的配置示例




输出电容器和续流二极管的配置
配置升压型DC/DC转换器的输入电容器后,我们来配置升压型DC/DC转换器的输出电容器和升压型DC/DC转换器的续流二极管。
对此电路板布局进行解说的前提为升压电路的输出电流为1A以内。如果是这种程度的输出电流,则仅需要较小电容量的输出电容器COUT即可,因此同一枚陶瓷电容器还可作为高频去耦电容COBYPASS使用。这是因为陶瓷电容器的容值越小,其频率特性越好。但是由于陶瓷电容器的种类或厂家不同,其频率特性也不同,因此需要对实际所用元器件的频率特性进行确认。
将续流二极管D2配置在与IC和COUT同一个面的最近处。连接二极管和开关MOSFET Q2的节点是开关节点,因此是高频噪声的发生源。若此节点的布线过长,则因布线电感引起的高频尖峰噪声将会叠加在VOUT上。另外,通过尽可能缩小从开关MOSFET Q2到续流二极管D2、高频去耦复用输出电容器COUT的环路,来尽量控制高频噪声的辐射。以上的元器件配置和布线,必须在同一面上完成。如果经由通孔在背面进行配置和布线,受通孔电感量的影响,噪声会加剧,因此请绝对不要经由通孔。考虑了以上情况的理想布局示例,如右图所示。相关布局部分已使用深色进行表示。
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理想的输出电容器和续流二极管配置示例


如前面提到的,开关节点过长将增加布线电感,从而导致高频尖峰噪声增大,大部分情况都会带来不好的影响。为了改善此高频尖峰噪声,可采用增加RC缓冲电路的方法进行处理。
由于此缓冲电路需要配置在开关MOSFET Q2和IC的GND引脚的最近处,因此我们建议提前准备好用于缓冲电路的电阻RS和电容器CS的焊盘。
请注意,在缓冲电路的开关动作中始终会产生损耗,这是导致效率下降的主要原因,这一点请务必知悉。可能需要在降低开关节点尖峰噪声和确保效率之间进行权衡。

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理想的缓冲电路配置示例



电感的配置
完成升压型DC/DC转换器的输出电容器和升压型DC/DC转换器的续流二极管的配置后,我们来配置升压型DC/DC转换器的电感。
为了尽量地降低来自开关节点的辐射噪声,应将电感L配置在开关MOSFET Q2附近,并尽量避免扩大不必要的布线铜箔面积。考虑到降低布线电阻和利用铜箔散热,可通过采取扩大铜箔面积的方法,但是若面积过大,则可能起到天线的作用,从而增大EMI。
在考虑布线电阻、散热、天线效应的基础上,电流耐受能力是决定布线宽度的因素之一。在下表中,记录了因流过的电流和导体宽度而引起的温升情况。例如,当2A的电流流经导体厚度为35µm的布线时,如果要将温升控制在20℃以下,需要参考Δt=20℃的曲线(淡蓝色)2A时的布线宽度。此时,导体宽度只要有0.53mm就可以了。
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实际上,由于布线受到外围元器件的发热和环境温度的影响,因此,建议选择具有足够余量的导体宽度。例如,若为1OZ(35µm)的电路板,则每1A其导体宽度应为1mm以上,若为2OZ(70µm)的电路板,则每1A其导体宽度应为0.7mm以上等,且一般情况下考虑了余量的设计规则也适用于其他情况。
从EMI的角度对布线面积进行优化的布局示例,以及扩大不必要布线面积的不良布局示例如下所示。图中已加深说明对象部分的颜色。
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关于电感的配置,还需注意其他两点。其一,电感的正下方不可配置接地层。由于接地层产生的涡电流导致磁力线发生抵消效应,因此会造成电感L的电感值降低,损耗增加(Q降低)(参见下图左侧)。非接地的信号线也有因涡电流使开关噪声传递到信号线的可能性。因此,在任何情况下,应避免电感正下方的布线。不得不布线时,请使用漏磁较少的闭磁路电感。

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其二,电感引脚间的距离。如上图右侧的示例所示,由于引脚部分的铜箔面积过大,当引脚间的实际距离过近时,开关节点的高频信号经由杂散电容,电容被诱导至输入。如其他布线示例所示,应尽量缩小电感引脚用的铜箔。

散热孔的配置
PCB的铜箔面积有助于散热,但通常铜箔不够厚,因此当超过一定面积时将无法获得与该面积相对应的散热效果。在这种情况下,可以使用散热孔将热量有效地传导到PCB的另一侧以降低热阻。
为提高散热孔的热导性,建议采用可电镀填充的内径 0.3mm左右的小孔径通孔。如果孔径过大,在回流焊处理工序可能会发生焊料爬越问题。散热孔的间隔为1.2mm左右,配置于IC封装背面散热片的正下方。
如果仅通过将散热孔设置在升压型DC/DC转换器的PCB板布局的背面散热板正下方无法获得足够的散热效果,则还可以在IC的周围配置散热孔。如果背面散热片具有接地电位,则即使铜箔图案面积较大也不会对EMI产生不利影响。
以下是升压型DC/DC转换器的PCB板布局中散热孔散热效果的仿真示例。通过在升压型DC/DC转换器的PCB板布局的IC正下方安设置散热孔,获得了预期的温度下降约15℃的结果。
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反馈路径的布线
正如在“升压型DC/DC转换器的电流路径”中所提到的,升压型DC/DC转换器的PCB板布局中的电路布线会有两种路径,一种是会流过与输入和输出相关的大电流,而另一种只会流过用来实现控制的小电流。通常,只有少量电流流过的路径是信号系统的路径。其中包括可将输出电压反馈至FB(Feedback)引脚的反馈路径的布线,还包括(因电源IC而异)到控制ON/OFF的使能和Shutdown引脚等的信号路径的布线。
在对信号系统进行布线时,需要特别注意的是反馈路径的布线。反馈路径的布线是将输出电压从输出线反馈到FB引脚以稳定输出电压的布线,由于通过用来设置输出电压的分压电阻器连接到IC内部的误差放大器的输入端,因此是阻抗较高的线路。如果线路的阻抗高,就容易受噪声干扰,而如果反馈路径的布线受到噪声干扰,则输出电压将产生误差,可能会导致工作变得不稳定。
关于反馈路径的布线,请注意以下几点。左侧电路图单纯是表示连接的电路图,右侧电路图是标出了与(a)~(d)四个注意点相对应的位置和布线的示意图。
  • (a) 输入反馈信号的IC的FB引脚通常阻抗较高,该FB引脚与R1和R2的电阻分压电路通过短线连接。
  • (b) 检测输出电压的位置连接于输出电容器COUT的两端或输出电容器之后。
  • (c) 电阻分压电路的布线要平行且接近,这样抗噪性能更好
  • (d) 布线要远离电感L和二极管D2。请勿在电感和二极管的正下方布线,请勿与电力系统的布线并行布线。同样适用于多层PCB。
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接地
首先,模拟小信号接地和电源接地必须分开。原则上,电源接地的布局无需与布线电阻较低、散热性好的顶层分离。
如果电源接地分开并经由过孔连接在背面,则受过孔电阻和电感器的影响,损耗和噪声将会恶化。旨在屏蔽、散热及减少直流损耗而在内层或背面设置接地层的做法,只是辅助接地。
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该图是此次示例的电路板布局。这是顶层的电源接地(PGND,橙色部分)和模拟小信号接地(AGND,浅蓝色部分)的基本布局示例。
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将接地层设计在多层电路板的内层或背面时,需要特别注意高频开关噪声较多的电源接地。如果第二层具有旨在减少直流损耗的电源接地层,请使用多个过孔连接顶层和第二层,以降低电源地的阻抗。此外,如果在第三层上有公共接地,在第四层上有信号接地,则电源接地与第三和第四层接地之间的连接仅连接高频开关噪声较小的输入电容器附近的电源接地。切勿连接噪声多的输出或续流二极管的电源接地。参见下面的截面示意图。
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使用同步整流升压型DC/DC转换器时的电路板布局
与降压型DC/DC转换器一样,升压型DC/DC转换器也分二极管整流(异步整流)和同步整流。在本章中,已经介绍了使用二极管整流IC时的电路板基本布局,但是由于近年来同步整流升压型转换器IC的应用也越来越多,因此在本文中将介绍同步整流型的布局要点。顺便提一下,在第一篇文章“PCB布局设计的重要性”中出现的评估板、电路图和布局示例都是同步整流型的。
在同步整流方式下,续流二极管D2被作为开关晶体管Q2H集成在IC内部,因此这里使用内置开关晶体管型的IC示例。为了便于比较,这里还同时给出了此前介绍过的二极管整流的布局。
关于输入/输出电容器、电感、包括电感在内的开关节点、散热孔、反馈路径及接地方面的注意要点,与此前介绍过的二极管整流的要点相同。另外,用来抑制高频尖峰噪声的缓冲电路相关的注意要点也是相同的。
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铜箔的电阻
铜箔是一种PCB图案布线,具有电阻。在较大电流条件下,会因传导损耗而产生电压降或发热现象。对会流过大电流的线路,需要考虑铜箔的电阻值。
铜箔电阻通常按单位面积来考量。下图表示单位面积的铜箔电阻值。通常为铜箔厚35µm、宽1mm、长1mm条件下的电阻值。电阻值可以通过以下公式来计算。
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使用从图表中读取到的单位面积的电阻值RP,可以将公式变形为左下方所示的公式,例如,在25℃时,宽3mm、长50mm的铜箔的电阻值通过计算得出8.17mΩ,如右下方的公式所示。
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在该示例中,流过3A电流时的电压降为24.5mV。另外,从图中可以看出,当温度升高至100℃时,RP增加至0.63mΩ,电压降增加至31.6mV,大约增加了29%。如果该铜箔引起的电压降超出容许范围,则基本上就需要考虑布线宽度了。
铜箔的电感
铜箔中也存在电感量。铜箔中的电感量可通过以下公式来计算。另外,右下方的曲线图是使用该公式,根据在0.2mm~10mm的布线宽度条件下改变布线长度时的电感量绘制而成的。
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从公式可以看出,电感值基本上不依赖于铜箔的厚度。此外,从图中可以看出,即使布线宽度提高到2倍,令人意外的是电感值也不会下降。可以得出的结论是缩短布线长度是抑制铜箔电感的有效方法。

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假设电感值L[H]的印刷电路板布线中流过的电流在时间t之内的变化量为i[A],则将在其印刷电路板布线的两端产生以下电压:
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例如,当在电感值为6nH的印刷电路板布线中在10ns内流过2A的电流时,产生的电压如下:
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需要注意的是,在某些条件下布线的寄生电感也会引发较大的电压,不仅会影响运行,有时还有可能损坏部件。

来源:techclass.rohm
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