高速轉(zhuǎn)換器PCB設(shè)計(jì)考慮因素

?

　　問：使用高速轉(zhuǎn)換器時(shí)，有哪些重要的PCB布局布線規(guī)則?

　　答：為了確保設(shè)計(jì)性能達(dá)到數(shù)據(jù)手冊(cè)的技術(shù)規(guī)格，必須遵守一些指導(dǎo)原則。首先，有一個(gè)常見的問題：“AGND和DGND接地層應(yīng)當(dāng)分離嗎?”簡單回答是：視情況而定。

　　詳細(xì)回答則是：通常不分離。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，分離接地層只會(huì)增加返回電流的電感，它所帶來的壞處大于好處。從公式V = L(di/dt)可以看出，隨著電感增加，電壓噪聲會(huì)提高。而隨著開關(guān)電流增大(因?yàn)?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器采樣速率提高)，電壓噪聲同樣會(huì)提高。因此，接地層應(yīng)當(dāng)連在一起。

　　一個(gè)例子是，在一些應(yīng)用中，為了符合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，必須將臟亂的總線電源或數(shù)字電路放在某些區(qū)域，同時(shí)還受尺寸限制的影響，使得電路板無法實(shí)現(xiàn)良好的布局分割，在這種情況下，分離接地層是實(shí)現(xiàn)良好性能的關(guān)鍵。然而，為使整體設(shè)計(jì)有效，必須在電路板的某個(gè)地方通過一個(gè)電橋或連接點(diǎn)將這些接地層連在一起。因此，應(yīng)將連接點(diǎn)均勻地分布在分離的接地層上。最終，PCB上往往會(huì)有一個(gè)連接點(diǎn)成為返回電流通過而不會(huì)導(dǎo)致性能降低的最佳位置。此連接點(diǎn)通常位于轉(zhuǎn)換器附近或下方。

　　設(shè)計(jì)電源層時(shí)，應(yīng)使用這些層可以使用的所有銅線。如果可能，請(qǐng)勿讓這些層共用走線，因?yàn)轭~外的走線和過孔會(huì)將電源層分割成較小的碎塊，從而迅速損害電源層。由此產(chǎn)生的稀疏電源層可以將電流路徑擠壓到最需要這些路徑的地方，即轉(zhuǎn)換器的電源引腳。擠壓過孔與走線之間的電流會(huì)提高電阻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器的電源引腳發(fā)生輕微的壓降。

　　最后，電源層的放置至關(guān)重要，切勿將高噪聲的數(shù)字電源層疊放在模擬電源層上，否則二者雖然位于不同的層，但仍有可能耦合。為將系統(tǒng)性能下降的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能將這些類型的層隔開而不是疊加在一起。

　　本RAQ的第一部分討論了為什么AGND和DGND接地層未必一定分離，除非設(shè)計(jì)的具體情況要求您必須這么做。第二部分討論印刷電路板(PCB)的輸電系統(tǒng)(PDS)設(shè)計(jì)，這一任務(wù)常被忽視，但對(duì)于系統(tǒng)級(jí)模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)人員卻至關(guān)重要。

　　PDS的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將響應(yīng)電源電流需求而產(chǎn)生的電壓紋波降至最低。所有電路都需要電流，有些電路需求量較大，有些電路則需要以較快的速率提供電流。采用充分去耦的低阻抗電源層或接地層以及良好的PCB層疊，可以將因電路的電流需求而產(chǎn)生的電壓紋波降至最低。例如，如果設(shè)計(jì)的開關(guān)電流為1A，PDS的阻抗為10mΩ，則最大電壓紋波為10mV。

　　首先，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)支持較大層電容的PCB層疊結(jié)構(gòu)。例如，六層堆疊可能包含頂部信號(hào)層、第一接地層、第一電源層、第二電源層、第二接地層和底部信號(hào)層。規(guī)定第一接地層和第一電源層在層疊結(jié)構(gòu)中彼此靠近，這兩層間距為2到3密爾，形成一個(gè)固有層電容。此電容的最大優(yōu)點(diǎn)是它是免費(fèi)的，只需在PCB制造筆記中注明。如果必須分割電源層，同一層上有多個(gè)VDD電源軌，則應(yīng)使用盡可能大的電源層。不要留下空洞，同時(shí)也應(yīng)注意敏感電路。這將使該VDD層的電容最大。如果設(shè)計(jì)允許存在額外的層(本例中是從六層變?yōu)榘藢?，則應(yīng)將兩個(gè)額外的接地層放在第一和第二電源層之間。在核心間距同樣為2到3密爾的情況下，此時(shí)層疊結(jié)構(gòu)的固有電容將加倍。

　　對(duì)于理想的PCB層疊，電源層起始入口點(diǎn)和DUT周圍均應(yīng)使用去耦電容，這將確保PDS阻抗在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均較低。使用若干0.001μF至100μF的電容有助于覆蓋該范圍。沒有必要各處都配置電容;電容正對(duì)著DUT對(duì)接會(huì)破壞所有的制造規(guī)則。如果需要這種嚴(yán)厲的措施，則說明電路存在其它問題。

　　第一部分討論了為什么AGND和DGND接地層未必一定分離，除非設(shè)計(jì)的具體情況要求您必須這么做。第二部分討論了輸電系統(tǒng)(PDS)，以及電源層和接地層擠壓在一起如何能提供額外的電容。第三部分將討論裸露焊盤(E-Pad)，這是一個(gè)容易忽視的方面，但它對(duì)于實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)的最佳性能和散熱至關(guān)重要。

　　裸露焊盤(引腳0)指的是大多數(shù)現(xiàn)代高速IC下方的一個(gè)焊盤，它是一個(gè)重要的連接，芯片的所有內(nèi)部接地都是通過它連接到器件下方的中心點(diǎn)。裸露焊盤的存在使許多轉(zhuǎn)換器和放大器可以省去接地引腳。關(guān)鍵是將該焊盤焊接到PCB時(shí)，要形成穩(wěn)定可靠的電氣連接和散熱連接，否則系統(tǒng)可能會(huì)遭到嚴(yán)重破壞。

　　通過以下三個(gè)步驟，可以實(shí)現(xiàn)裸露焊盤的最佳電氣和散熱連接。首先，在可能的情況下，應(yīng)在各PCB層上復(fù)制裸露焊盤，這將為所有接地提供較厚的散熱連接，從而快速散熱，對(duì)于高功耗器件尤其重要。在電氣方面，這將為所有接地層提供良好的等電位連接。在底層上復(fù)制裸露焊盤時(shí)，它可以用作去耦接地點(diǎn)和安裝散熱器的地方。

　　其次，將裸露焊盤分割成多個(gè)相同的部分。以棋盤狀最佳，可以通過絲網(wǎng)交叉格柵或焊罩來實(shí)現(xiàn)。在回流焊組裝過程中，無法決定焊膏如何流動(dòng)以建立器件與PCB的連接，因此連接可能存在，但分布不均，更糟糕的情況是連接很小并且位于拐角處。將裸露焊盤分割為若干較小的部分可以使各個(gè)區(qū)域都有一個(gè)連接點(diǎn)，從而確保器件與PCB之間形成可靠、均勻的連接。

　　最后，應(yīng)當(dāng)確保各部分都有過孔連接到地。各區(qū)域通常都很大，足以放置多個(gè)過孔。組裝之前，務(wù)必用焊膏或環(huán)氧樹脂填充每個(gè)過孔，這一步非常重要，這樣才能確保裸露焊盤焊膏不會(huì)回流到過孔空洞中，否則會(huì)降低正確連接的機(jī)率。