電源PCB設(shè)計實例

今天給大家分享的是電源PCB設(shè)計。

一、典型的同步降壓控制器

典型的同步降壓控制器

上圖為典型的示意圖。與大很多原理圖一樣，顯示的引腳注釋并不代表實際的 IC，它是一個 TSSOP-20。所以在看Datasheet的時候，還是要多注意一點， 不能只看這一個示意圖。

二、實際同步降壓控制器示意圖

實際同步降壓控制器示意圖

這里可以明顯看到和上面的不一樣了。元件在PCB上的電氣連接方式有許多名稱，不存在標準的一個命名。我一般會先放置開關(guān)節(jié)點，通常是電感或者變壓器繞組以及1-2個電源開關(guān)，大電阻 RCS 用于檢測電流，它與同步 MOSFET Q2 串聯(lián)。

下面就會分步教大家來設(shè)計PCB。

第1步：切換節(jié)點

切換節(jié)點

開關(guān)節(jié)點是一個很好的靜電輻射器，因為它以一定的開關(guān)頻率進行震蕩。位移電流流動，對自由空間中開關(guān)節(jié)點和接地平面之間的電容進行充電和放電。一般來說，如果這個節(jié)點的面積最小化會更好。

我一般從構(gòu)成開關(guān)節(jié)點的功率開關(guān)二極管和電感開始，放置在使它們的路徑盡可能靠近的位置。然后，放置了一個剛好覆蓋所有三個路徑的實體形狀。

對于除降壓穩(wěn)壓器以外的其他穩(wěn)壓器，通過查看高電位擺動的任何節(jié)點，尋找方法來最大限度地減少對其它地方的電容。在許多類型中，如反激式或 SEPICS，將有兩個開關(guān)節(jié)點，每個開關(guān)節(jié)點都需要得到處理。

第 2 步：輸入電容組

輸入電容組

輸入電容、高側(cè) FET 和低側(cè) FET 之間的環(huán)路需要最小化，這是 Buck 設(shè)計中最關(guān)鍵的路徑。這里一定要最大限度地減少輸出尖峰。并且一定要使用大銅多邊形作為與 MOSFET 的主電源連接，這在電氣上和熱學上都會有幫助(同樣這個方法也適用于過孔。)通常越多越好。

通孔還充當電路板背面和內(nèi)層的熱通道。如果可以的話，用焊料填充。雖然在電學或熱學方面不如銅好，但焊料比空氣好得多。

那個靠近FET的小電容Cin2，是低值 MLCC，通常為 100 nF，主要是為了在降低最高頻率的噪聲和諧波。低值 MLCC的電容值和物理尺寸都很小，可以最大限度地降低 ESR 和 ESL。在 Cin2 之后，有了更大的 MLCC ，降低了開關(guān)頻率的輸入電壓和電流紋波以及更低的諧波。這個電容可以抑制潛在的振蕩并在瞬變期間維持輸入電壓，不過都是低的開關(guān)頻率，因此這個電容可以放的更遠一點。

第 3 步：在緊密環(huán)路中獲得緩沖器

在緊密環(huán)路中獲得緩沖器

緩沖器濾波器可以降低高頻噪聲并改善輻射。因為緩沖器處理很高的頻率噪聲，通常高于 10 兆赫茲。所以它們得以最小的電感進入緊密環(huán)路，不然將無法過濾。

第4步：輸出電容組

輸出電容組

這里必須要注意，在完整的布局之前，我們必須要注意有關(guān)低側(cè) FET、陽極或二極管。這是一個噪聲節(jié)點，不應(yīng)直接連接到地平面。這樣做會將噪聲注入地平面。這個就好比一群吵鬧的孩子在寬闊的操場上。 如果你看到降壓穩(wěn)壓器輸出出現(xiàn)尖峰，那么這里連接可能不正確。在理想的設(shè)計中，降壓穩(wěn)壓器的輸出幾乎沒有尖峰。通常，出現(xiàn)在輸出端的任何尖峰都是通過地軌傳導的。 仔細注意低側(cè)開關(guān)接地之間的路徑，回到輸入電容，輸出尖峰幾乎可以消除，或者至少大大減少。電感將高頻電流和這些元件保持在最低限度。 最小的輸出電容 Co5 恰好靠近輸出連接器或負載(如果負載位于同一 PCB 上)，以在高頻噪聲干擾負載之前將其清除。如果高頻噪聲進入輸出線束，它會將它們作為天線進行輻射。

第 5 步：定位 IC

定位 IC

布局良好的 IC 會將噪聲引腳(如柵極驅(qū)動器)與 IC 一側(cè)的根帶引腳組合在一起。然后，敏感的模擬引腳，如對反饋節(jié)點的控制或軟啟動，則位于另一側(cè)。

第6步：柵極驅(qū)動電路

與外部 MOSFET 的柵極連接是非常高的 DIDD 路徑，因此需要仔細考慮。具有大量柵極電荷的大 FET 會產(chǎn)生數(shù)安培的峰值電流，此處的長連接會顯著減慢 FET 開關(guān)的上升和下降時間。這對于降壓應(yīng)用中的高端 FET 尤為重要，因為過慢的邊沿會增加開關(guān)損耗。

嘗試將柵極到驅(qū)動器的連接直接放在源極到驅(qū)動器的接地連接之上，以盡量減少由此產(chǎn)生的環(huán)路所包圍的面積，并使用至少 0.3 毫米寬的走線。

我通常是通過兩層布線柵極驅(qū)動器，所以我將至少兩個并聯(lián)的過孔防止在該路徑中的寄生電感中。

第7步：完成高端柵極驅(qū)動路徑

完成高端柵極驅(qū)動路徑

有很多設(shè)計在從柵極驅(qū)動引腳到 MOSFET 柵極的短、寬、低電感連接方面做得很好，但它是高側(cè) MOSFET 或低側(cè)，返回路徑經(jīng)常被忽略。

對于高端 FET，返回路徑是開關(guān)節(jié)點。出于散熱原因，開關(guān)節(jié)點通常有大量的散熱過孔，可用于將驅(qū)動電流帶回原處。有時，你可以直接在發(fā)送路徑下運行返回路徑。由于我是在同一頂層布線，所以我選擇將它們并聯(lián)放置在一起，就像差分對一樣。

通常，還有一個引導程序，是為 N-MOSFET 產(chǎn)生完全驅(qū)動的電荷泵，它的二極管和電容也需要短的、低電導環(huán)路。

第8步：完整的低側(cè)柵極驅(qū)動路徑

完整的低側(cè)柵極驅(qū)動路徑

低側(cè)或同步 MOSFET 柵極驅(qū)動的返回路徑通過系統(tǒng)地。這里需要運行一個單獨的跟蹤。為此，許多控制和穩(wěn)壓器 IC 都有專用的接地引腳，通常稱為 P 接地，有時甚至更直接地稱為門回路或類似名稱。所有這些路徑和接地部分之間的物理連接都在 IC 下方。在層間切換時至少使用兩個過孔，并盡可能靠近發(fā)送路徑運行這些返回路徑。

第 9步：差分電流檢測

差分電流檢測

不是每個控制 IC 都有差分感應(yīng)線，你至少得感應(yīng)出一個主電流。還有一個問題，就是弟電流檢測IC的負極接地。幾乎不可能將差分感應(yīng)線與感應(yīng)電阻布線在同一層，因此它們必須通過過孔。這次不需要并聯(lián)過孔，因為電流在RAM 范圍內(nèi)，但是任何實心接地層都會連接到該負側(cè)過孔，同時會導致你PCB走線短路。

通常需要將控制器 IC 的 A 地和 P 地連接起來，即模擬地和電源地，有時稱為信號地和電源地，或簡稱為信號地和地。

第 10步：放置低功率部件

如果你有專門的頂部接地形狀的空間，你可以將其用作所有接地參考控制電路、反饋分壓器、軟啟動和控制環(huán)路的返回。如果這樣的形狀不適合，可以使用菊花鏈從 AGND 引腳連接到各種小信號接地的走線。如果你想通過多層布線此走線，則布局軟件會出現(xiàn)問題，因為它想要將過孔連接到內(nèi)部接地層。而且會引出想要隔離這條痕跡的全部要點。所以，我建議把它放在頂層。

一種方法是提出一個單獨的 AGND 符號。你通過多層將所有信號接地點連接在一起，而無需連接到內(nèi)部平面。但是當連接 AGND 和 PGND，或 AGND 和 PGND 網(wǎng)絡(luò)時，很可能會產(chǎn)生 DRC 錯誤。

第 11 步：反饋跟蹤

反饋跟蹤

保持最高阻抗走線較短，因為它們最有可能拾取雜散場。因此，例如，反饋分壓器中的兩個電阻應(yīng)位于非?？拷€(wěn)壓器反饋引腳的位置，而不是電源輸出附近。從分壓器頂部到電源輸出的連接是 Vout，這是一個非常低的阻抗連接，因此不會受到噪聲拾取的影響。相反，放大器輸入是一個非常高的阻抗輸入，并且非常容易受到雜散場感應(yīng)噪聲的影響。

有一種趨勢是想讓敏感節(jié)點變大，還錯誤地認為這種方法可以提供一些屏蔽的效果，但實際情況正好是相反的。不僅增加了自由空間的電容，并增加了噪聲拾取的可能性。使敏感走線變窄并盡可能短。

第12步：頂部敷銅

頂部敷銅

淹沒未使用的 PCB 區(qū)域的技巧是確保連接到安靜的節(jié)點。

第13步：重新審視切換節(jié)點

重新審視切換節(jié)點

開關(guān)節(jié)點非常重要，我們在底層的首要任務(wù)是審查熱管理和電氣噪聲之間的這一關(guān)鍵.特別是，低側(cè) MOSFET 依靠一些單體銅掩膜來保持冷卻，因為它的漏極連接到開關(guān)節(jié)點，而 MOSFET 的大部分熱量都從漏極散發(fā)出來。這個封裝的占位面積是一個熱增強型 SO8，內(nèi)置 12 個熱過孔。這里可以在底層放置一個多邊形，其形狀和大小與頂層多邊形相同，剛剛覆蓋電感焊盤和兩個 MOSFET 的那個。良好的熱通孔矩陣將有助于將熱量吸收到底層。即使在沒有主動冷卻的設(shè)計中，對流也很可能使一些空氣穿過 PCB 底部。

第14步：關(guān)于散熱孔

散熱孔

這是一個PCB 封裝，帶有一個大散熱片。當直接放置在熱源下方時，熱通孔效果最佳。但同樣，這需要與 PCB 制造商進行良好的溝通。我的個人經(jīng)驗是 0.25 毫米的孔與 0.5 毫米的外徑相結(jié)合，是一個很好的方案。這些尺寸孔偏小，無法吸走太多焊料，但又不算微孔，鉆孔成本更高。我通常將它們隔開 1 毫米或 1.5 毫米。

第 15步：用 GND 背面敷銅

用 GND 淹沒底部

在設(shè)計完成前關(guān)閉除接地層之外的所有層是一個非常好的技巧，并確保在完成所有信號和電源線走線的鋪設(shè)后仍然具有良好的接地平面完整性。在許多情況下，過孔是不可避免的，但如果可能的話，應(yīng)避免將其作為電源路徑中的載流元件。只有當它們可以用于在設(shè)計中引入冗余銅區(qū)域時，才是比較可靠的。例如與外部走線區(qū)域平行連接的內(nèi)層。過孔被用作熱管，因為它們能夠?qū)㈨敳慨a(chǎn)生的熱量傳導到 PCB 的背面?？梢赃B接到熱平面區(qū)域的過孔越多，可以實現(xiàn)的散熱就越多。

使用大量熱過孔時需要注意的一點是，內(nèi)部接地層可能會被嚴重切斷，最終幾乎沒有有用的電流路徑。這特別有可能發(fā)生在非常小的電路板上，例如穩(wěn)壓器模塊。

第16步：回顧檢查

回顧檢查

許多電路都有接地連接，當某個區(qū)域被淹沒時不應(yīng)將其短路。通?？梢苑乐惯@種情況發(fā)生，建議手動布局。接地區(qū)域(這個三角形)與低側(cè) FET 柵極驅(qū)動的返回路徑以及差分電流檢測線的負連接保持分離。

四層 PCB – 如何處理?

上圖顯示了4層PCB。雖然有4層，但我還是連接頂層的所有電源焊盤，并用接地、VIN 和 Vout 的銅澆注淹沒任何未使用的區(qū)域。然后，我在第二層上放置了一個實心地平面，就在頂層下方。第三層我在 VIN 和 Vout 之間分開，但有時我會在這一層放置信號層走線。第四層保留為地面，很多信號電平連接都在這一層。這樣做是因為如果這些連接位于內(nèi)部層上，則調(diào)試電路會變得很難。

內(nèi)部平面/第 1 層應(yīng)為 GND

稍微靠近頂層會增加注入頂層的 VIN 和 Vout 多邊形中第二層地之間的電容。這些小電容非常適合過濾高頻噪聲，因為它們通常在 100 pF 到 1nF 的范圍內(nèi)。但如果是開關(guān)節(jié)點，我就會考慮打亂我的第二層地平面。

VIN 和 Vout 的內(nèi)部平面/第 2 層

與底層一樣，我放置了一個與頂層和底層相同大小的形狀，并用大量的散熱孔連接它。其他所有東西都是接地的，只被信號跡線或熱管理的過孔分開。添加這些大的連續(xù)形狀會增加更多的自由容量，無論是在左側(cè)的 VIN還是在右側(cè)的之間。它們還有助于傳播和散熱。開關(guān)節(jié)點的切口有助于從高側(cè) FET 和漏極排出熱量，而不會讓噪聲以電容方式耦合到其他平面。

單面布局

單面 PCB 在成本有限的 AC 到 DC 穩(wěn)壓器中非常常見。比如你的手機充電器。但金屬芯 PCB 或 MCPCB 成本的快速下降意味著越來越多的 LED 驅(qū)動電路與 LED 一起直接放置在 MCPCB 上。單層 MCPCB 成本的暴跌也導致放置在鋁芯多點板上的功率元件數(shù)量增加。這通常意味著在一層中布線所有內(nèi)容，并且通常意味著很少或沒有過孔。0 歐姆分流器通常用于將一個連接跨接在另一個連接上，但這些會同時增加電阻和電感。所以，回到大開關(guān)電流的分析。避免在這些路徑中放置分流器。基本上，沒有與電源開關(guān)串聯(lián)的分流器，也沒有與陽極或二極管之間的接地連接串聯(lián)。

元件放置策略——經(jīng)驗法則

你可以將電感與電感器串聯(lián)，但要在安靜(輸出)端進行，而不是噪聲(開關(guān)節(jié)點)端

跡線寬度：對于 35 μm 厚度的銅，每安培 0.75 毫米;對于 17.5 μm，每安培 1.5 毫米

每個過孔 1 A 的 DC MAX 是一個很好的設(shè)計目標

旁路帽的過孔應(yīng)與焊盤相切，最好每個焊盤兩個

與電感串聯(lián)的走線電感通常不是什么大問題。它只會增加路徑中的總電感。相反，您不想增加與電感器并聯(lián)的大量電容，可能會引起問題。如果你必須添加一些與現(xiàn)有電感器串聯(lián)的電感器，通常最好使輸出路徑更長一些，這樣就可以最大限度地減小噪聲開關(guān)節(jié)點的尺寸。 使用過孔將旁路帽連接到平面，每個焊盤至少需要一個連接切線的過孔，每個焊盤兩個更好，三個稍微好一點。 整個電路板布局經(jīng)常被提到的最小化雜散電感，將每個高 DIDT 路徑視為高頻 RF 連接，快速邊緣將具有數(shù)十兆赫茲的頻率分量，可能達到兆赫茲，布局時永遠不要忘記這一點。

審核編輯：湯梓紅