BUCK變換器的PCB布局及設(shè)計(jì)是什么

1、BUCK變換器關(guān)鍵回路和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

不管是什么類型的變換器，PCB布局設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是要找到電路系統(tǒng)的關(guān)鍵回路和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，那么什么是電路系統(tǒng)的關(guān)鍵回路和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)？通常，電流變化率di/dt大的環(huán)路以及電壓變化率dV/dt大的節(jié)點(diǎn)，就是關(guān)鍵回路和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在PCB布局設(shè)計(jì)的時(shí)候，要優(yōu)先考慮和布局。

BUCK變換器上管開通以及關(guān)斷時(shí)，各環(huán)路的電流及波形如圖1所示。

（a）上管開通的電流回路

（b）上管關(guān)斷的電流回路

（c）L1和L2環(huán)路的電流波形

（d）開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW工作電壓

（e）BUCK的工作電流環(huán)路

圖1：BUCK的工作電流環(huán)路及波形

如果把L1稱為輸入回路，L2稱為輸出回路；下管的S源極到輸入電容的地，稱為輸入地，下管的S源極到輸出入電容的地，稱為輸出地，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）L1回路的電流、包括輸入地，都是脈沖的電流波形，電流波形的前沿和后沿，具有非常大的電流變化率di/dt。

（2）L2回路的電流、包括輸出地，相當(dāng)于直流電流上面，疊加了峰峰值比較小的交流三角波，電流波形的前沿和后沿，具有較小的電流變化率di/dt。

因此，具有 非常大的電流變化率di/dt的輸入回路 ，也就是L1回路，包括 輸入地 ，是 強(qiáng)磁場發(fā)射的干擾源 。

如果查看電壓的波形，輸入電壓、輸出電壓及地回路，都是穩(wěn)定的電壓，而 開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW的電壓 ，在上管開通和關(guān)斷的過程中，產(chǎn)生 非常大的電壓變化率dV/dt ，是 強(qiáng)電場發(fā)射的干擾源 。

2、BUCK變換器PCB基本的設(shè)計(jì)和布局要求

根據(jù)BUCK變換器的工作原理、各個(gè)回路的電流特性以及開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓特性，就很容易的得到BUCK變換器PCB布局的基本原則：

（1）輸入回路L1，包括輸入地，回路要盡可能的短，也就是輸入電容CIN的正端盡可能靠近上管的漏極D、輸入電容CIN的地端盡可能靠近下管的源極S，回路的布線要盡可能的粗，從而減小環(huán)路的寄生電感，減小磁場干擾。

必要的時(shí)候，在上管的漏極D和下管的源極S之間最近的距離，放置一個(gè)小尺寸的去耦陶瓷電容。

輸入回路盡可能短、布線粗，可以減小雜散電阻，減小其導(dǎo)通損耗，有利于散熱。

（2）輸出回路L2，包括輸出地，磁場干擾不大，但是，輸出電流通常比較大，要盡可能減小環(huán)路，布線盡可能的粗，減小雜散電阻，減小其導(dǎo)通損耗，也有利于散熱，可以提高系統(tǒng)的效率。在一定的程度上，也可以減小磁場干擾。

（3）開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW的面積要盡可能的小，從而減小節(jié)點(diǎn)的寄生電容，減小電場干擾。但是，這個(gè)節(jié)點(diǎn)要鋪設(shè)銅皮，加強(qiáng)功率MOSFET的散熱，因此，要在散熱和EMI(電場發(fā)射干擾)的設(shè)計(jì)之間取得平衡，必要的時(shí)候，需要加吸收電路，減小電壓變化率。

其他的注意事項(xiàng)還有：

（4）所有的反饋信號以及模擬小信號，要遠(yuǎn)離上面干擾大的回路和節(jié)點(diǎn)，并盡可能用較細(xì)的布線?？刂?a target="_blank">IC或變換器的下面不要流過開關(guān)電流。電流取樣信號要采用開爾文Kevin的連接方式，電流取樣信號的RC濾波網(wǎng)絡(luò)，要盡可能靠近IC的管腳。

圖2：電流取樣信號

（5）輸入和輸出電容的地，通過多個(gè)過孔連接到底層或內(nèi)層的地平面，如果器件底部有電氣特性為地的銅皮，也可以通過多個(gè)過孔連接到底層或內(nèi)層的地平面，加強(qiáng)散熱。

（6）DC電源和DC地，相當(dāng)于交流地，可以屏蔽干擾信號，因此盡可能不要做分割。如果分割不可避免，盡可能減小信號線的數(shù)量和長度，小信號盡可能和大信號平面用交流地進(jìn)行隔離。

（7）功率MOSFET的柵極Gate驅(qū)動(dòng)環(huán)路要盡可能短，并使用平行走線。功率MOSFET的源極D和漏極S，盡可能用銅皮布線，如圖3所示。

(a) 好的布線 (b) 不好布線

圖3：功率MOSFET的布線

（8）2層板的電源系統(tǒng)，頂層為元件和功率回路層，底層為小信號和地平面層。4層或6層板，可以采用下面的方案。

表1：4層板各層分配

表2：6層板各層分配

3、BUCK變換器PCB設(shè)計(jì)布局實(shí)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種布局：

（1）上管、下管一個(gè)水平，一個(gè)垂直，成90度，如圖4示；

（2）上管、下管水平排列，如圖5所示。

基本的原則是： 先布局主功率回路，特別是輸入電容、功率MOSFET回路，然后布局電感和輸出電容回路，考慮功率地、小信號地的分區(qū)；最后，在小信號地一側(cè)，布局相關(guān)的信號線 。

(a) 優(yōu)化布局

(b) 較差布局

圖4：垂直排列分立器件BUCK布局

圖4中的二種布局，圖4（a）的輸入環(huán)路以及輸入地，比圖4（b）要小很多，因此，圖4（a）布局更優(yōu)化。

(a) 頂層布局

(b) 高頻電容

(c) 高頻電容放置背面底層

圖5：水平排列分立器件BUCK布局

圖5的布局中，Cin距離較遠(yuǎn)，輸入環(huán)路以及輸入地比較大，但是這種布局適合多管并聯(lián)，可以通過在PCB背面加高頻濾波電容，減小BUCK電路的電流環(huán)路。

3.2 集成方案

集成方案是指集成上管和下管的BUCK變換器IC，下面這些設(shè)計(jì)來源于一些廠家器件數(shù)據(jù)表推薦的布局，以及一些客戶工程師實(shí)際的設(shè)計(jì)。

基本的原則和上面相同：先布局主功率回路，特別是輸入電容、IC的地回路，然后布局輸出電容，考慮功率地、小信號地的分區(qū)；最后，在小信號地一側(cè)，布局相關(guān)的信號線。

(a) 布局1

(b) 布局2

(c) 布局3

圖6：SOT23幾種PCB布局

按圖4的分析方法，分別畫出圖6中上管開通、關(guān)斷的電流路徑，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）圖6(a)的電流路徑要穿過IC底部，回到下面輸入電容的地，電流路徑較長，功率地（IC的GND管腳左上角區(qū)域）、小信號地（IC的GND管腳右邊區(qū)域）也做到嚴(yán)格分區(qū)，優(yōu)點(diǎn)是：開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW在頂層直接連接到電感。

（2）圖6(b)的電流路徑最短，功率地（IC的GND管腳左上角區(qū)域PGND）、小信號地（IC的GND管腳右邊區(qū)域SGND）嚴(yán)格分區(qū)，如圖7所示，缺點(diǎn)是：開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW要通過過孔，連接到電感。

圖7：SOT23布局2電流路徑

（3）圖6(c )中，IC右邊管腳附近元件、連接到BOOT管腳的一個(gè)電阻和一個(gè)電容，讓輸出電容的地，不能直接回到IC的GND管腳，輸出電容的地和IC的GND管腳的連接有二個(gè)回路：一個(gè)是通過IC底部的過孔、輸出電容的地附近過孔，和底層的地平面，形成連接回路；另一個(gè)是輸出電容的地，通過頂層銅皮，從IC下方繞回到IC的GND管腳以及輸入電容的地。

這種布局設(shè)計(jì)電流路徑最長，功率地、小信號地沒有分區(qū)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW要通過過孔，連接到電感，因此，布局設(shè)計(jì)比較差。

SOT23器件底部有電氣特性為地的銅皮，在PCB對應(yīng)的焊盤上，可以布設(shè)多個(gè)過孔，連接到底層或內(nèi)層的地平面，加強(qiáng)散熱，如圖8所示，在許可的條件下，盡可能多布設(shè)過孔， 過孔直徑要選擇合適，保證焊接后，既不漏錫，錫也要填滿過孔 。

圖8：下部有銅皮SOT23 PCB布局

圖9列出了SO8封裝的幾種PCB設(shè)計(jì)布局，有興趣的可以按照上面的方法，分析一下它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

(a) 布局1

(b) 布局2

(c) 布局3

圖9：下部有銅皮SO8幾種PCB布局