BUCK变换器的PCB布局及设计

liuyian2011 · 发表于 2021-9-14 13:50

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AUTUMN BUCK转换器关键回路和关键节点

不管是什么类型的高频开关电源转换器，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，什么是电路系统的关键回路和关键节点呢？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 布局设计时要优先考虑和布局。BUCK 转换器上管开通及关断时，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 源极到输出电容的地称为输出地，可以发现如下特点。

1）L1 回路的电流，包括输入地，都是高频脉冲的电流波形，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，相当于在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 环路，包括输入地，是强磁场发射的干扰源。如果查看电压波形，输入电压、输出电压及地回路都是稳定的电压。在上管开通和关断的过程中，开关节点SW 的电压产生非常大的电压变化率dV/dt，是强电场发射的干扰源。[1-5]

BUCK转换器PCB基本设计和布局要求

根据BUCK 转换器的工作原理、各个回路的电流特性及开关节点的电压特性很容易得到BUCK 转换器PCB 布局的基本原则，如下所示。

1）输入回路L1，包括输入地，回路要尽可能短，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粗，从而减小环路寄生电感和磁场干扰。必要时，在上管的漏极D 和下管的源极S 之间最近的距离放置1 个小尺寸去耦陶瓷电容。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，也有利于散热。

2）输出回路L2，包括输出地，磁场干扰不大，但是，由于输出电流通常比较大，尽可能减小环路面积，布线尽可能粗厚，就可以减小杂散电阻，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 的面积要尽可能小，从而减小节点的空间寄生电容和电场发射及干扰。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（电场发射及干扰）的设计之间取得平衡，必要时，需要加RC 吸收电路，减小电压变化率。其他的注意事项如下。

4）所有的反馈信号及模拟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 或转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）连接方式，电流取样信号的RC 滤波网络要尽可能靠近IC 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，以加强散热。

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2 所示。

8）电源系统为2 层板，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 层板可以采用表1和表2 的方案。

表1 4层板的分配

表2 6层板的分配

BUCK转换器分立方案PCB布局设计

上管、下管采用分立功率MOSFET，上管、下管常用的排布有2 种布局：

1）上管、下管呈90°，如图3（a）所示；

2）上管、下管呈水平排列，如图3（c）所示。

基本原则是：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，同时，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3 中的2 种布局，图3（a）的输入环路及输入地比图3（b）要小很多，因此，图3（a）布局更优化。图3（c）的布局中，Cin 距离较远，输入环路及输入地比较大，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。

（a）垂直排列分立器件优化布局

（b）垂直排列分立器件较差布局

（c）水平排列分立器顶层布局

（d）高频电容

（e）水平排列分立器件高频去耦电容放置背面底层

图3 水平排列和垂直排列分立器件BUCK布局

BUCK转换器集成方案PCB布局设计

集成方案是指集成上管和下管的BUCK 转换器IC，下面这些设计来源于一些厂家器件数据表推荐和客户实际应用的布局。基本原则是：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，同时，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。

（a）布局1

（b）布局2

（c）布局3

（d）布局2电流路径

（e）下部有铜皮布局

图4 SOT23几种PCB布局

按图3 的分析方法，分别画出图4 中上管开通、关断的电流路径，可以发现如下规律。

1）图4（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4（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4（d）所示，缺点是：开关节点SW 要通过过孔连接到电感。

3）图4（c）中，IC 右边管脚附近元件是连接到BOOT 管脚的1 个电阻和1 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2 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4（e）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，有利于传导热量。图5 列出了SO8 封装的几种PCB 设计布局。

（a）布局1

（b）布局2

（c）布局3

图5 下部有铜皮SO8几种PCB布局

结束语

1）BUCK 转换器具有高电流变化率di/dt 的输入回路，同时具有高电压变化率dV/dt 的开关节点，是其关键回路和关键节点，使用尽可能小的环路短粗布线。

2）优化的PCB 布局需要将功率地和信号地进行有效分区，减小干扰。多层板靠近功率元件层（顶层或底层）的第2 层或倒数第2 层，布设为整片地层，提供屏蔽和加强散热。

3）器件底部有电气特性为地的铜皮，可以通过多个过孔连接到底层或内层地平面，加强散热。