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十几张图,案例讲解DC/DC电源PCB设计

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发表于 2024-11-25 07:40:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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点击上方名片关注了解更多. X: ~! ]! w+ i0 _% X$ e

3 C% g; |- s3 d# l大家好,我是王工。在DCDC电源电路中,PCB的布局对电路功能的实现和良好的各项指标来说都十分重要。本文以buck电路为例,简单分析一下如何进行合理PCB layout布局以及设计中的注意事项。
1 F* w; K/ G& [$ H5 d7 Q
/ l) j& K3 m% G# V3 L9 O! P首先,以最简单的BUCK电路拓扑为例,下图(1-a)和(1-b)中分别标明了在上管开通和关断时刻电流的走向,即功率回路部分。这部分电路负责给用户负载供电,承受的功率较大。
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- e' ]8 _& o, ?结合图(1-c)中Q1和Q2的电流波形,不难发现,由于电感的存在,后半部分电路中不会存在一个较高的电流变化趋势,只有在两个开关管的部分会出现高电流转换速率。在PCB布线时需要特别注意,尽可能减小这一快速变化的环节的面积,来减少对其他部分的干扰。随着集成工艺的进步,目前大部分电源芯片都将上下管集成到了芯片的内部。2 `$ d! g2 |" Y- |  S
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了解了高电流转换速率部分后,让我们回到整个功率回路布局来看。以MPS的非常受欢迎的MPQ8633A(B)系列产品为例,这是一款完全集成的高频同步降压转换器可以实现高达12-20A的输出电流,其原理图如下,其功率回路(绿色标注)中包含输入电容,电感以及输出电容等器件。
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* s+ ]0 [% u3 r2 }7 n; s功率回路也需要做到尽可能地占用较小的环路面积,来减少噪声的发射以及回路上的寄生参数。推荐的PCB布局如图(3)所示。注意点如下:: b# ~' @( ?! g" I! s

" L/ g* K% q% _6 S输入电容就近放在芯片的输入Vin 和功率地PGND ,减少寄生电感的存在,因为输入电流不连续,寄生电感引起的噪声对芯片的耐压以及逻辑单元造成不良影响。VIN 的管脚旁边至少各有1 个去耦电容 ,用来滤除来自电源输入端的交流噪声和来自芯片内部(倒灌)的电源噪声,同时也为芯片储能。且电容需要紧挨管脚,两者的间距需要小于40mil
3 Q+ v4 V2 C3 s2 l# X" l0 A: L2 g5 f. c% x& n, ^1 q: J7 z5 \: y, E* A

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功率回路尽可能的短粗,保持较小的环路面积 ,减少噪声的发射。
/ C( f4 o! L9 M- A' y1 RSW 点是噪声源,保证电流的同时保持尽量小的面积 ,远离敏感的易受干扰的位置,例如FB等。! W6 A3 c3 ~# @0 S1 ?+ T& X0 s2 T
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/ h2 R/ @# i. @. O5 C% ~% _$ X% E6 u  d7 E
铺铜面积和过孔数量会影响到PCB 的通流能力和散热。由于PCB的载流能力与PCB板材、板厚、导线宽厚度以及温升相关,较为复杂,可以通过IPC-2152标准来进行准确的查找和计算。一般,对于MPQ8633A(B)的PCB来说,需要在VIN(至少打6个过孔)和PGND(至少打9个过孔)处多打过孔,这两处的铺铜应最大化来减小寄生阻抗。SW处的铺铜也需要加宽,以免出现限流的情况,导致工作异常。
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讨论完功率回路部分,转眼看芯片逻辑电路部分,这部分的PCB布局也是有所讲究的。
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& t+ Y+ j9 t* @/ G( E, A结合图(3)和(4)可总结注意点如下:
0 }8 d5 @4 X/ `% }9 w8 g/ ]# C1.将BST 电容放置在尽可能靠近BST 和SW 的位置,使用20mil 或更宽来布线路径。7 S1 T  C( Y5 {6 I' C6 s3 K. i
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8 a! F: E& j! u4 v6 B2.FB 电阻连接到FB 管脚尽可能短, 减少噪声的耦合。这是芯片最敏感,最容易受干扰的部分,是引起系统不稳定的十分常见原因。需要将其远离噪声源,例如:SW点,电感,二极管等(在非同步buck中,MPQ8633外围无二极管)。如图,RFF、CFF、RFB1、RFB2都尽量靠近芯片摆放。* r; f/ n; u2 S2 v, |( ]  C

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4 h+ H; n, P! t/ ^* i3.VCC 电容应就近放置在芯片的VCC 管脚和芯片的信号地之间,尽量在一层,没有过孔 。对于信号地(AGND)和功率地(PGND)在一个管脚的芯片,同样就近和该管脚连接。- c) V3 X/ t9 ~3 o

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- R  ^0 S3 X; k, Z! q  j& w% `4.AGND和PGND需要进行单点连接6 [  _: i- n& u$ Q- _- a

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5.将SS电容靠近TRK/REF至RGND
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6.将SENSE电容置于输出SENSE线之间,平行走线
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3 ~: M- P& [0 h. s+ I7.PCB layout 中走线和铺铜都尽量避免90 °直角,走45°或者圆弧角,特别是在高频信号传输线部分。避免由传输线宽带来的反射和传输信号的失真。
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1 J) E$ D' l1 G5 {7 z- ~/ u3 Z
最后,为了方便大家了解自己画的PCB是否合理,可以参考以下简易表格做一个自评:
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" o* c/ |. ~! S% l- U" j" y  X. u- P1 X% }
以上表格适用于简单的buck、boost电路的pcb设计,多用单层或者双层板即可。仅供参考,欢迎补充。" K* P7 I7 d3 V# u4 S; {. \3 {1 ~

2 H2 s0 |- A& B写在最后2 |+ e' ]! E: S
都说硬件工程师越老越吃香,这句话也证明硬件也是需要积累的,王工从事硬件多年,也会不定期分享技术好文,感兴趣的同学可以加微信,或后台回复“加群”,管理员拉你加入同行技术交流群。7 D$ I$ g0 q  L9 z. b' p3 X
# s( p( i' G' a2 o: }1 t
以下两个电路,是之前技术交流群群友发的,王工做了一个简单的分析,旨在帮助入门或转行的同学理解学习(点击图片直接进入)6 r! w. C$ a0 v5 [

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6 H: B, L; s+ V3 I$ p- G" Z  h0 b, h* G( a4 K+ `3 |2 E
投稿/招聘/推广/宣传/技术咨询 请加微信:woniu26a- D1 a" A1 q& g

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, k# v+ Z+ }( J5 |' v" V/ l声明:7 Z: ?) j3 x! A7 n
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