DCDC電源的布局布線設(shè)計(jì)

在DCDC電源的設(shè)計(jì)中，電路結(jié)構(gòu)和與元器件選型的重要性是毋庸置疑的，但是布局布線也同樣重要，許多電源不能正常工作的問題都是電路板布局引起的。因此了解電源的布局布線不論是對于硬件工程師或測試工程師都十分重要。

1、關(guān)鍵路徑和節(jié)點(diǎn)

在了解DCDC電源布局布線之前，我們首先要了解電源工作時(shí)的電流路徑，電路中各部分的電壓和電流的大小和性質(zhì)對電路板的布局有很大的影響，所以事先了解電源工作時(shí)的電流路徑和性質(zhì)是十分重要的。下面以最常見的BUCK電源作為示例。

圖：Q1開通時(shí)的電流路徑

上圖為BUCK上管導(dǎo)通時(shí)的電流路徑，可以看到輸入電流經(jīng)MOS管Q1、電感L、輸出電容Co后到達(dá)輸出端。CBYPASS 是高頻用的去耦電容，CIN 是大容量電容。在開關(guān)Q1導(dǎo)通的瞬間，會(huì)流過急劇的電流，這時(shí)大部分的電流主要有CBYPASS提供，然后是CIN，最后比較緩和的電流才來自于輸入電源。

圖：Q1關(guān)斷時(shí)的電流路徑

上圖為上管關(guān)閉時(shí)的電流路徑，此時(shí)二極管D1導(dǎo)通，電感L儲(chǔ)存的能量被釋放至輸出端。

綜上，我們來看一下各部分節(jié)點(diǎn)的電流情況，第一個(gè)輸入電流即為流過Q1的電流波形，第二個(gè)是流過續(xù)流二極管D1的電流波形，它和流過MOS管的電流波形疊加即為電感L的電流波形，第四個(gè)就是開關(guān)電壓波形，也是三個(gè)器件匯集點(diǎn)的地方，稱之為開關(guān)節(jié)點(diǎn)。

圖：各節(jié)點(diǎn)的電流波形

可以看出在輸入電流和D1上的電流變化是最大的，電感L和輸出電容上的電流變化比較平緩。結(jié)合下來就是下圖紅色標(biāo)注的部分，在開關(guān)Q1切換時(shí)，紅色線部分的電流都會(huì)急劇變化，這部分也就是布局是的重要之處。

圖：電流的差異和布局的重要位置

2、輸入電容的布局

布局要點(diǎn)：將輸入電容布置在IC引腳相同的面，并盡可能靠近IC放置；封裝更小的濾波電容要更靠近IC引腳。

我們都知道電路板布線都會(huì)引入引線電感，每1mm的引線約帶來1nH的電感量。也就是說布線過長，則布線電感量會(huì)增高。這就是輸入電容要盡可能得靠近IC放置

在DCDC電源設(shè)計(jì)時(shí)，輸入電容一般都由大容量電容和小容量電容搭配使用，這是因?yàn)椴煌娙莸臑V波特性決定的，不同類型的電容搭配可以獲得更好的濾波效果。更小封裝的的電容自身的寄生電感更小，在瞬間提供電流能力更強(qiáng)，這就是為什么容值更小的更需要靠近IC引腳放置。

如下如所示為最為理想的輸入電容布局，CBYPASS放置于IC引腳相同面且最靠近IC。

當(dāng)然，有的時(shí)候布局緊張情況下，CIN可以允許放置的距離IC引腳遠(yuǎn)一些，但也不宜太遠(yuǎn)?；蛘咄ㄟ^過孔將CIN放置在另一面，但是在電流比較大的情況下，會(huì)導(dǎo)致紋波電壓增加。

下圖是絕對不允許的，將輸入電容全部通過過孔放置于背面，過孔導(dǎo)致寄生電感和寄生電阻大幅增加，這將導(dǎo)致電源的紋波和噪聲增加。

3、開關(guān)管的布局

布局要點(diǎn)：開關(guān)管與IC放置在同一面，電流環(huán)路要盡可能得??；源極D和漏極S，盡可能使用銅皮布線，并直接連至IC的開關(guān)引腳和GND引腳；同步電路Gate驅(qū)動(dòng)環(huán)路要盡可能短，并使用平行走線。

在這里特別說明針對峰值電流采樣的DCDC電源，要注意電壓采樣點(diǎn)的選取，假設(shè)采用上管的峰值電流采樣，根據(jù)公式 ，可得出,即最終輸出電流轉(zhuǎn)化為上管的VDS電壓，如若采樣點(diǎn)選取的不合理，Rdson就不僅包括MOS自身的電阻，還要加入引線電阻，則導(dǎo)致采樣得到的VDS增加，進(jìn)而導(dǎo)致ID增加，電源就會(huì)在還未到達(dá)OC電流前提前OC，最終電源的輸出能力下降。

4、電感的布局

布局要點(diǎn)：

①為了降低布線電阻和增加散熱量，電感的連接都使用鋪銅連接，但是鋪銅太大也會(huì)起到天線的作用，使EMI增加，所以不可過度增加鋪銅面積。

圖：理想的電感鋪銅

圖：鋪銅面積過大的電感布線

②電感的正下方不可配置GND或其他布線。

這是因?yàn)殡娏髁鬟^電感使會(huì)磁力線，當(dāng)磁力線穿過導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在這部分產(chǎn)生渦流，渦電流會(huì)沿抵消磁力線的方向流動(dòng)，最終導(dǎo)致電感值減小，Q值下降（損耗增加）

圖：不鋪地vs鋪地的對比

③電感盡可能的也靠近IC放置。

5、輸出電容器的布局

①輸出電容緊靠電感進(jìn)行放置

前面提到過，輸入電容器中反復(fù)流過急劇的較大電流，而輸出電容器則以輸出電壓為中心反復(fù)進(jìn)行與輸出紋波電壓聯(lián)動(dòng)的平穩(wěn)充放電。這是因?yàn)檩敵雎窂街写?lián)插入了電感，電感 L 和 CO具有輸出濾波器的作用。

②輸出電容CO的GND連接在距離輸入電容CIN的GND連接部分1~2cm的位置。

圖：輸入電容與輸出電容的GND

由于輸入電容器中反復(fù)流過急劇的上升/下降電流，因此 CIN所連接的 GND 焊盤中會(huì)流入幾百 MHz 的高頻電流。當(dāng)然，由于 CO所連接的 GND 焊盤是相同的 GND焊盤，所以如果在 CIN的連接位置附近配置 CO，則輸入的高頻噪聲可能會(huì)經(jīng)由 CO傳導(dǎo)至輸出端。之所以將 CO的 GND 配置在距離 CIN的 GND 約 1～2cm的位置，是因?yàn)楸∧げ季€的電感量和電阻分量起到濾波器的作用，可以降低高頻噪聲。也就是說，這是在充分利用寄生分量。

6、反饋路徑的布局

①遠(yuǎn)離電感、開關(guān)管等干擾源進(jìn)行布線，不與電源開關(guān)布線平行布線。

我們知道反饋路徑的作用就是反饋儲(chǔ)蓄戶電壓至FB引腳，所以我們希望反饋路徑能夠反饋純凈的信號，要遠(yuǎn)離干擾源進(jìn)行布線。

下圖為不好的布線示例，反饋路徑與電感平行布局，因電感周邊產(chǎn)生的磁場易誘發(fā)反饋路徑中的噪聲。

②FB引腳阻抗較高，因此FB引腳與分壓電路的分壓節(jié)點(diǎn)之間盡可能用短線連接。

③從輸出到分壓電阻的布線要平行且接近，這樣抗噪聲性能更好。布線距離要“盡量短”。

下圖為避免干擾源，通過打孔在背面走線減少走線距離。

7、接地問題

在降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路中，與控制電路相連的輸出電壓的反饋等信號系統(tǒng)和切換較大電流的功率系統(tǒng)要分離是非常重要的，這一點(diǎn)在 GND 布線中也同樣重要。

GND 在電路（電路板）的任意位置都具有相同的電位，但在模擬信號和數(shù)字信號混合存在的電路（近年來大多數(shù)是這種情況）中，多采用單獨(dú)設(shè)置模擬 GND 和數(shù)字 GND，以使數(shù)字信號引起的噪聲不傳遞給微小的模擬信號的手法。雖然有多種命名，不過在這里將不喜歡噪聲的線路（如反饋路徑）相關(guān)的 GND 稱為“模擬小信號 GND（AGND）”，將開關(guān)節(jié)點(diǎn)等切換較大電流的線路相關(guān)的 GND 稱為“功率GND（PGND）”。

至關(guān)重要的關(guān)鍵要點(diǎn)是：AGND 和 PGND 必須分離。雖然電位相同，最終也是要連接的，但這種做法是出于將“通過開關(guān)返回較大電流的 GND”和“控制信號的 GND”分開來防止干擾的考量。

圖：基本的GND布局實(shí)例