了解 DC-DC 降压转换器电路的最佳布局实践

了解 DC-DC 降压转换器电路的最佳布局实践

了解 DC-DC 降压转换器电路的最佳布局实践，在实施 DC-DC 降压转换器时，电路布局与设计一样重要。糟糕的布局可能会严重影响设计。

良好的电路布局

辐射和感应噪声的控制

减少电路不同部分之间的干扰

减少电路面积

有效的热管理

改进的电压调节和电路效率

避免使用缓冲器等额外的“创可贴”电路

增强的稳定性

注意：不要对这些关键路径使用自动布线、手动布线和设计。

电源转换器电路中的电流环路

电源转换器电路产生大电流，这些电流在不同阶段在两个主要环路中循环：关断状态和导通状态，具体取决于 MOSFET 开关的状态（见图 1）。

图 1(a)：通态电流回路                 (b) 关闭状态循环

这些环路的 3D 几何形状很重要。根据安培定律，在物理环路中运行的电流将形成与电流和环路面积成比例的磁场。然后，根据法拉第定律，该场可以与其他电路回路耦合，在更高频率下耦合更多，从而导致有害的串扰。

因此，一般的思路应该是尽量减少这些循环的封闭区域。一种直接的方法是使返回路径尽可能与出站路径共线。

想象一个环形天线被压扁成一条垂直线——它将不再是天线。这就是我们将电线绞合在一起以消除耦合噪声的原因。

返回路径

请注意，如果给定一个无限大的地平面，返回电流自然会集中在出站电流的正下方（见图 2）。我们应该从大自然中汲取灵感，提供自然回归的道路；否则，将引入环路并辐射。

电路板的预期结果是出站和返回电流按有序的已知路径运行。

图 2：自然返回电流路径

通常，一个电路有多个接地平面：例如，模拟、数字和电源。尽管多年来对此的传统看法有所不同，但如果提供了这些自然返回路径，我们就不需要划分地平面。事实上，如果计划外的返回电流必须绕过它走很长的路线，分区会使事情变得更糟。

除了智能分区之外的自然电流路径可能是最好的解决方案。

速射最佳实践

当然，一个关键的考虑因素是电源轨进入或起源于电路板的位置。如果这些考虑因素在设计师的控制之下，那么应该选择那些来促进良好的布局。请注意，同样的环路原理也应该应用于 MOSFET 栅极驱动，因为它也有大而尖的电流。

为了进一步控制辐射发射，“20H 规则”规定，对于间距为 H 的层，我们将所有走线与电路板边缘保持至少 20H。通常需要使用电源过孔将电源路径推到其他层以获得紧凑的布局——您只需像管理电源路径中的任何其他元素一样管理这些过孔的影响。电感、电阻和过孔总数都会影响路径性能。

灵敏的控制电路需要干净的接地。如果我们通过控制共享的返回路径发送大的脉冲功率返回电流，将产生电压尖峰，这将扰乱控制的接地，将噪声注入控制电路，这是非常不希望的。我们使用星形接地来避免这种情况（参见图 3）——它使返回路径保持不共享和独立。

图 3：星形接地

在将电源电压旁路到 IC 时，始终优先考虑高频元件。避免过孔并直接连接到 IC 引脚。

将 IC 制造商的示例布局（如评估板）作为指导。但是，请记住，电路板的叠层和设计目标可能与您的不同——例如，在不损害其他参数的情况下实现最佳热性能。

对于电源走线，必须设计宽度、长度和厚度以限制压降和走线电感。对于当今的低输出电压，电压降比以往任何时候都更加重要。

我们需要让指导我们的另一条主要法则是电容耦合——彼此靠近的两个板（电路节点）将与板面积和它们之间的距离成比例耦合，在更高频率和更高接收节点下耦合更多阻抗。  

例如，电压反馈是通过将感测引脚连接到输出来实现的，并且该信号的路由应远离开关节点和电感器等噪声源。感测引脚节点是高阻抗的，因此更容易受到电容耦合的影响——使其尽可能小并与噪声源隔离。中间的直流平面也可以减少耦合。

具有高dv/dt瞬态的节点，如开关节点，需要保持较小和隔离，同时仍保持足够的电流容量，这样它们就不会成为噪声源。  

如果一个电源轨有多个负载点，则必须对感测点放置做出妥协——您可以优先选择一个负载或集中放置。如果传感信号是差分的，那很好，但它应该像传输线一样布线。将任何感测电路电阻器放置在 IC 附近。

一块板应该有多少层？更多的层意味着更多的布线空间和更多可以提供屏蔽的电源和接地平面，但也意味着更多的过孔和更多的成本。对于现代转换器 IC，您可能应该至少有四层。此外，层数通常不受电源设计人员的控制，而是由其他考虑因素决定的。通常，您拥有的层数越少，您就越有创意才能获得有效的布局。

散热注意事项

布局也受散热因素的影响，最明显的是 IC 和 MOSFET 的导热垫，大部分热量通过这些导热垫传导到电路板，然后散发到空气中。导热垫尺寸和层数、过孔数、最高环境温度和可用气流都需要考虑。最终，MOSFET 可能需要外部散热器。数据表将包含至少一个热示例，您可以使用它来指导您的热设计。

此外，请务必了解是否对 IC 焊盘进行电气连接——数据表中并不总是指定这一点。如果您有空间，一个不错的技巧是将焊盘延伸到顶层 IC 的边缘之外，为您提供一个加热它的地方，以便更容易提起 IC。

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