介紹寄生電感對(duì)PCB布局的影響

《處理穩(wěn)壓器高開(kāi)關(guān)頻率的 PCB 布局》系列專輯由三篇文章構(gòu)成，主要圍繞高開(kāi)關(guān)頻率處理穩(wěn)壓器，介紹了高頻 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)、使用注意事項(xiàng)以及寄生電感對(duì) PCB 布局的影響。本文是該系列的最后一篇，將通過(guò)電源接地 (P-GND) 和信號(hào)接地 (S-GND) 繼續(xù)為大家介紹寄生電感對(duì) PCB 布局的影響。

以理想 GND 繪制電路圖

如下圖 (圖1) 所示為 ADI LTC1871 異步升壓型轉(zhuǎn)換器電路圖，它是不包含寄生電感的理想電路。在仿真中，LTC1871 的 GND 和外部組件的 GND 均可達(dá)到理想均衡。但是在實(shí)際操作中，每個(gè)元件和 PCB 的寄生電感會(huì)導(dǎo)致 GND 產(chǎn)生電位偏移，因此我們只需要關(guān)注 PCB 布局并重現(xiàn) GND 電路。

圖1 ADI LTC1871 升壓型轉(zhuǎn)換器電路圖

電源接地 (P-GND) 和信號(hào)接地 (S-GND)

電源電路具有電源接地 (P-GND) 和信號(hào)接地 (S-GND)，通過(guò)穩(wěn)定和加強(qiáng)這些 GND 可以防止柵極驅(qū)動(dòng)處開(kāi)關(guān)電流影響模擬控制器。在理想情況下，電源電路位于單個(gè)電路板上，并且所有接地應(yīng)具有相同的電位，但如果每個(gè) P-GND 和 S-GND 引腳彈跳，電源電路的控制器部分可能會(huì)受到影響。下圖 (圖2) 顯示的是一個(gè) GND 模式，其中 P-GND 和 S-GND 與一個(gè) 1mΩ 電阻和 1nH 電感嚙合，P-GND 和 S-GND 通常通過(guò)細(xì)小導(dǎo)線或通孔或 0 mΩ 電阻器連接，在這里可以假設(shè)連接 R8 和 L8 或寄生電感以檢查效果。

圖2 網(wǎng)狀電源接地和信號(hào)接地電路圖

查看仿真結(jié)果檢驗(yàn)寄生電感的影響

現(xiàn)在我們可以通過(guò)查看模擬仿真結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)：如果存在 R8 或 L8 的電阻分量或寄生電感，是否會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器的工作出現(xiàn)問(wèn)題？如下圖 (圖3) 中的綠色波形表示開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有 10ns 的極快上升時(shí)間，此時(shí)如果將 SW 節(jié)點(diǎn)和 S-GND 的仿真結(jié)果設(shè)置為具有 1pF 的小寄生電容，則可以看到 S-GND 節(jié)點(diǎn)處發(fā)生較大的電壓尖峰和振鈴，效果可參考圖中的紅色波形 P-GND，這證實(shí)了電源電路的控制器部分可能會(huì)出現(xiàn)電壓差，并會(huì)最終影響電路運(yùn)行。

*圖3 受電感影響的輸出波形 (L8=1mH/R8=10mΩ)*

降低寄生電感和電阻

為了最小化兩個(gè) S-GND 之間的振鈴，可以通過(guò)將寄生電感 L8 從 1mH 降低到 1nH，電阻 R8 從 10mΩ 降低到 1mΩ 來(lái)改善連接到 P-GND 的寄生電感 L8，最后通過(guò)降低 P-GND 和 S-GND 之間的 R8 和 L8 值，可以發(fā)現(xiàn)圖 3 中的紅色波形小于圖 4 中的紅色波形，這證實(shí)了 S-GND 的振鈴變小了。

*圖4 受電感影響的輸出波形（L8=1nH/R8=1mΩ）*

綜上所述，我們并不能通過(guò)仿真整個(gè)電路來(lái)重現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中的波形，但可以通過(guò)將仿真電路組裝成一種形式，該形式側(cè)重于設(shè)計(jì)特定電路元件時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題的部分 (在本次仿真案例中為 GND)。同時(shí)可以以易于理解的方式對(duì)設(shè)備和組件進(jìn)行排列，以重現(xiàn)諸如如何獲取 GND 之類的問(wèn)題。

按控制器類型劃分的 PCB 布局注意事項(xiàng)

接下來(lái)我們可以看看其他類型控制器的 PCB 布局。最常見(jiàn)的 BUCK 轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)如下圖 (圖5) 所示，降壓轉(zhuǎn)換器看起來(lái)與 BOOST 轉(zhuǎn)換器相同，只是控制 MOSFET 位于頂部，它會(huì)在輸入側(cè)產(chǎn)生脈沖開(kāi)關(guān)電流。在這種情況下，需要為輸入電容處理高開(kāi)關(guān)電流，且圖中紅色圓圈中的環(huán)路必須很小，因?yàn)橹挥泻苄〉匿忼X紋波電流才能流過(guò)輸出電容器。脈沖接地電流來(lái)自 MOSFET M1 和輸入電容器，如果 M1 和輸入電容并排放置，則兩個(gè)電流相加，由此產(chǎn)生的接地電流將像疊加在鋸齒電流紋波上的直流電流一樣，其余的元件布局和 PCB 布局與 BOOST 轉(zhuǎn)換器的 PCB 布局完全相同。

圖5 降壓轉(zhuǎn)換器配置圖

接下來(lái)需要考慮降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的情況，其電路圖如下圖 (圖6) 所示。乍一看，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器更為復(fù)雜，但其實(shí)該電路可以分解為降壓和升壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)電路根據(jù)輸入電壓切換其操作。如果輸入電壓低于輸出電壓，它將充當(dāng) BOOST 轉(zhuǎn)換器，如果輸入電壓高于輸出電壓，它將作為 BUCK 轉(zhuǎn)換器工作。

電路的每個(gè)部分也可以獨(dú)立布局，雖然這兩個(gè)部分不必彼此靠近，但還是建議將它們靠得近一些，以最小化作為 EMI 源的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的大小。除此以外，控制器需要遠(yuǎn)離兩個(gè)高開(kāi)關(guān)電流區(qū)域，并將 MOSFET/ 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)-電感-輸出電容 (Cout) 放置在同一表面上。如果布置面不同，布線距離會(huì)很長(zhǎng)，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)緊密布局，但如果通過(guò)通孔，該部分可能會(huì)產(chǎn)生寄生電感，并且在開(kāi)關(guān)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生較大的尖峰電壓。

圖6 降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電路圖





審核編輯：劉清