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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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2 H" h7 ]+ v% r, x3 q点击上方名片关注了解更多
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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。5 M+ a! ^$ J) A- ]+ w
/ v- f4 f1 ?: K; h3 S' J& x$ r- B
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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5 |) G4 v! X- O; P( Q- ?, N  A
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。
% d* k2 \! T9 G  S% k( Y1 e
) z, }) n% s2 W, k" L1 p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。. F/ m' L5 A; \: `

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) ~" m& n0 N0 M. [: Q
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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:* O! K3 e: ?* ]
6 [4 P6 F4 }  w% ?) T7 _6 q
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
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0 a. b! L; ~. l4 w7 J% ~% ^9 ~

6 {6 [. S4 i$ |0 Q5 q* g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。, q* ]! B9 g% ~6 F, S+ M* c
SW 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。
* T1 I9 b% H2 t3 A0 P
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. v% C7 g: C8 z5 n# K- M

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+ R. _) {( \4 E# z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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: [8 Z. @! x( L4 L& n' L, t

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5 H, F9 J; E; m* @: }' G' a
: L) l. o1 X# G" Q9 M结合图(3)和(4)可总结注意点如下:
, A, s' J6 e- t1.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。
$ G- a) h* [- h7 u1 K2 v% q7 J( F& ^3 _8 p7 G9 C0 n# w$ V

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8 H, z5 q; {$ L2.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。
7 }* x/ f7 F: z# e% U; Q* p  n

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/ d- A2 Y6 l9 `9 s) l) W! \) r8 C

! b% k6 z6 A# M) S3.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。
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4 z, k) X( p& m2 K; s3 P, k

4 E4 w" _6 b7 O; R3 o5 G4.AGND和PGND需要进行单点连接
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1 O+ I0 d' t, w. z  d9 ?

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7 p" W+ e. _" ~* g# @; T, y( C2 [
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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7 t# I/ T, j( P

4 I3 x4 q. B) f, S/ \4 b

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& L: u: z4 X7 l9 o- M# P4 W# w. u
2 m+ r4 {& ~' W. X* Q) r7.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。1 g' w  f; f: H5 N/ g

$ L! n5 B" h0 z

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# o0 T% v$ K& F- a: N/ i) Z
7 x' f: W* ?6 o/ f0 r
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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8 u; E: G" y, _8 J

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' B% h5 `9 z# t3 N
# ?: q# i8 A4 s$ p
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。- J# W; I5 P5 u" ~1 j
% P: R3 w3 H# x3 A
写在最后
5 I5 P2 U! z" r7 D. R% p, h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。
$ y8 S& N: i# w/ X* k, }" a. I& m3 r5 h  d2 R
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)# L$ V9 t( X/ X2 e  _2 Z
* p& F! {0 |, Q- q3 y5 a

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9 O6 d5 A; o3 r+ y. {' X; q2 G( @: g# a" z

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投稿/招聘/推广/宣传/技术咨询 请加微信:woniu26a# c2 j# C% w; e+ p
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' k' L# ]8 c/ @* Z4 S0 ?, M
声明:& F1 v2 V1 H" W: O1 _. n
声明:文章来源MPS,仅用于分享学习。本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立,推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有,如有侵权,联系删除。推荐阅读▼
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