在實(shí)現(xiàn)DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器時(shí),電路布局與設(shè)計(jì)同樣重要。布局不良可能會(huì)嚴(yán)重降低設(shè)計(jì)。
本文將介紹一些最佳布局實(shí)踐。
良好電路布局的目標(biāo)
以下是一些良好布局的目標(biāo)。
- 控制
- 降低電路不同部分之間的干擾
- 減小電路面積
- 有效熱管理
- 改善電壓調(diào)節(jié)和電路效率
- 避免額外的“創(chuàng)可貼”電路如緩沖器
- 增強(qiáng)穩(wěn)定性
注意: Don對(duì)這些關(guān)鍵路徑使用自動(dòng)布線 - 手動(dòng)布線和設(shè)計(jì)。
電源轉(zhuǎn)換器電路中的電流回路
電源轉(zhuǎn)換器電路產(chǎn)生大電流,在不同的相位,在兩個(gè)主回路中循環(huán):關(guān)閉狀態(tài)和開(kāi)啟狀態(tài)-state,取決于MOSFET開(kāi)關(guān)的狀態(tài)(見(jiàn)圖1)。
圖1(a):通態(tài)電流環(huán); 1(b)關(guān)閉狀態(tài)環(huán)。點(diǎn)擊放大。
這些循環(huán)的3D幾何非常重要。根據(jù)安培定律,在物理環(huán)路中運(yùn)行的電流將形成與電流和環(huán)路面積成比例的磁場(chǎng)。根據(jù)法拉第定律,該場(chǎng)可以與其他電路環(huán)路耦合,在更高頻率處具有更多耦合,從而導(dǎo)致有害串?dāng)_。
因此,一般的思維方式應(yīng)該是最小化這些循環(huán)的封閉區(qū)域。一種直接的方法是使返回路徑盡可能與出站路徑共線。
想象一個(gè)環(huán)形天線壓扁到垂直線 - 它將不再是天線。這就是我們將導(dǎo)線絞合在一起以消除耦合噪聲的原因。
返回路徑
請(qǐng)注意,如果給定無(wú)限接地平面,返回電流將自然傾向于直接集中在出站電流之下(見(jiàn)圖2)。我們應(yīng)該從自然界中獲取這一提示并提供自然的返回路徑;否則,將引入一個(gè)環(huán)路并輻射。
所需的結(jié)果電路板將出站并返回以有序的已知路徑運(yùn)行的電流。
圖2:自然返回電流路徑
通常,電路有多個(gè)地平面:模擬,數(shù)字和例如,權(quán)力。雖然多年來(lái)傳統(tǒng)觀念已有所不同,但如果提供這些自然回路,我們就不需要?jiǎng)澐值仄矫妗?shí)際上,如果計(jì)劃外的返回電流必須繞過(guò)很長(zhǎng)的路徑,分區(qū)會(huì)使事情變得更糟。
除了智能分區(qū)之外的自然電流路徑可能是最好的解決方案。
快速火災(zāi)最佳實(shí)踐
當(dāng)然,關(guān)鍵考慮因素是電源軌進(jìn)入或源自電路板的位置。如果這些考慮因素在設(shè)計(jì)師的控制之下,那么應(yīng)該選擇那些以促進(jìn)良好的布局。請(qǐng)注意,同樣的環(huán)路原理也應(yīng)該應(yīng)用于MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器,因?yàn)樗簿哂写蟮募夥咫娏鳌?/p>
為進(jìn)一步控制輻射發(fā)射,“20H規(guī)則”規(guī)定,對(duì)于間距為H的層,我們將所有跡線保持在距離電路板邊緣至少20H的位置。通常需要使用電源過(guò)孔將電源路徑推送到其他層以獲得緊湊的布局 - 您只需像電源路徑中的任何其他元件一樣管理這些過(guò)孔的效果。電感,電阻和過(guò)孔總數(shù)都會(huì)影響路徑性能。
敏感控制電路需要干凈的接地。如果我們通過(guò)控制器共享的返回路徑發(fā)送大的脈沖功率返回電流,將產(chǎn)生電壓尖峰,這將擾亂控制器的接地,將噪聲注入控制電路,這是非常不希望的。我們使用星形接地來(lái)避免這種情況(參見(jiàn)圖3) - 保持返回路徑不共享和分離。
圖3 :星形接地
在繞過(guò)IC的電源電壓時(shí),始終給出首先接近高頻分量的優(yōu)先級(jí)。避免過(guò)孔并直接連接到IC引腳。
考慮IC制造商的示例布局,如評(píng)估板,作為指導(dǎo)。但是,請(qǐng)記住,電路板可能具有不同的疊加和設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)自您的 - 例如,實(shí)現(xiàn)最佳的熱性能而不利于其他參數(shù)。
對(duì)于電源走線,寬度,長(zhǎng)度和厚度必須設(shè)計(jì)為限制電壓降和走線電感。在今天的低輸出電壓下,電壓降比以往任何時(shí)候都重要。
我們需要引導(dǎo)我們的另一個(gè)主要法則是電容耦合 - 兩個(gè)板(電路節(jié)點(diǎn))彼此接近將耦合與板面積和它們之間的距離成比例,在更高頻率下具有更多耦合和更高的接收節(jié)點(diǎn)阻抗。
例如,通過(guò)將檢測(cè)引腳連接到輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓反饋,此信號(hào)應(yīng)遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和電感等噪聲源。檢測(cè)引腳節(jié)點(diǎn)為高阻抗,因此更容易受到電容耦合的影響 - 保持它盡可能小并與噪聲源隔離。干擾DC平面也可以減少耦合。
具有高 dv/dt 瞬態(tài)的節(jié)點(diǎn),如開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn),需要保持小型和隔離,同時(shí)仍保持足夠的電流容量,所以它們不會(huì)成為噪音源。
如果一個(gè)電源軌有多個(gè)負(fù)載點(diǎn),就會(huì)有一個(gè)必要的檢測(cè)點(diǎn)放置妥協(xié) - 你可以優(yōu)先考慮一個(gè)負(fù)載或集中放置。如果感應(yīng)信號(hào)是差分的,那很好,但它應(yīng)該像傳輸線一樣布線。在IC附近放置任何感應(yīng)電路電阻。
電路板應(yīng)該有多少層?更多的層意味著更多的布線空間,更多的電源和接地層可以提供屏蔽,但也有更多的過(guò)孔和更多的成本。對(duì)于現(xiàn)代轉(zhuǎn)換器IC,您應(yīng)該至少有四層。此外,層數(shù)通常不受電源設(shè)計(jì)者的控制,由其他考慮因素決定。通常,您擁有的圖層越少,獲得有效布局所需的創(chuàng)意就越多。
散熱考慮因素
布局也受到驅(qū)動(dòng)通過(guò)熱考慮,最明顯的是IC和MOSFET的導(dǎo)熱墊,大部分熱量通過(guò)導(dǎo)熱板傳導(dǎo)到電路板然后輻射到空氣中。需要考慮導(dǎo)熱墊的尺寸和層數(shù),過(guò)孔數(shù),最大環(huán)境溫度和可用氣流。最終,MOSFET可能需要外部散熱器。數(shù)據(jù)表至少有一個(gè)熱量示例可用于指導(dǎo)您的散熱設(shè)計(jì)。
此外,請(qǐng)務(wù)必了解是否電氣連接IC焊盤 - 數(shù)據(jù)表中并未總是指定。如果你有空間,一個(gè)很好的技巧是將焊盤延伸到頂層IC的邊緣之外,為你提供一個(gè)加熱它的位置,使IC更容易提升。
花在良好布局上的時(shí)間將足以彌補(bǔ)對(duì)布局不當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行故障排除所花費(fèi)的時(shí)間,而且更加愉快。
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