文章来源 Macnica Engineer

处理稳压器高开关频率的PCB布局 (三)

《处理稳压器高开关频率的 PCB 布局》系列专辑由三篇文章构成,主要围绕高开关频率处理稳压器,介绍了高频 DC/DC 转换器的优点、使用注意事项以及寄生电感对 PCB 布局的影响。本文是该系列的最后一篇,将通过电源接地 (P-GND) 和信号接地 (S-GND) 继续为大家介绍寄生电感对 PCB 布局的影响。

以理想 GND 绘制电路图

如下图 (图1) 所示为 ADI LTC1871 异步升压型转换器电路图,它是不包含寄生电感的理想电路。在仿真中,LTC1871 的 GND 和外部组件的 GND 均可达到理想均衡。但是在实际操作中,每个元件和 PCB 的寄生电感会导致 GND 产生电位偏移,因此我们只需要关注 PCB 布局并重现 GND 电路。

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图1 ADI LTC1871 升压型转换器电路图

电源接地 (P-GND) 和信号接地 (S-GND)

电源电路具有电源接地 (P-GND) 和信号接地 (S-GND),通过稳定和加强这些 GND 可以防止栅极驱动处开关电流影响模拟控制器。在理想情况下,电源电路位于单个电路板上,并且所有接地应具有相同的电位,但如果每个 P-GND 和 S-GND 引脚弹跳,电源电路的控制器部分可能会受到影响。下图 (图2) 显示的是一个 GND 模式,其中 P-GND 和 S-GND 与一个 1mΩ 电阻和 1nH 电感啮合,P-GND 和 S-GND 通常通过细小导线或通孔或 0 mΩ 电阻器连接,在这里可以假设连接 R8 和 L8 或寄生电感以检查效果。

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图2 网状电源接地和信号接地电路图

查看仿真结果检验寄生电感的影响

现在我们可以通过查看模拟仿真结果来检验:如果存在 R8 或 L8 的电阻分量或寄生电感,是否会导致稳压器的工作出现问题?如下图 (图3) 中的绿色波形表示开关节点具有 10ns 的极快上升时间,此时如果将 SW 节点和 S-GND 的仿真结果设置为具有 1pF 的小寄生电容,则可以看到 S-GND 节点处发生较大的电压尖峰和振铃,效果可参考图中的红色波形 P-GND,这证实了电源电路的控制器部分可能会出现电压差,并会最终影响电路运行。

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图3 受电感影响的输出波形 (L8=1mH/R8=10mΩ)

降低寄生电感和电阻

为了最小化两个 S-GND 之间的振铃,可以通过将寄生电感 L8 从 1mH 降低到 1nH,电阻 R8 从 10mΩ 降低到 1mΩ 来改善连接到 P-GND 的寄生电感 L8,最后通过降低 P-GND 和 S-GND 之间的 R8 和 L8 值,可以发现图 3 中的红色波形小于图 4 中的红色波形,这证实了 S-GND 的振铃变小了。

图4 受电感影响的输出波形(L8=1nH/R8=1mΩ)
图4 受电感影响的输出波形(L8=1nH/R8=1mΩ)

综上所述,我们并不能通过仿真整个电路来重现在实际应用中的波形,但可以通过将仿真电路组装成一种形式,该形式侧重于设计特定电路元件时出现问题的部分 (在本次仿真案例中为 GND)。同时可以以易于理解的方式对设备和组件进行排列,以重现诸如如何获取 GND 之类的问题。

按控制器类型划分的 PCB 布局注意事项

接下来我们可以看看其他类型控制器的 PCB 布局。最常见的 BUCK 转换器的功率级如下图 (图5) 所示,降压转换器看起来与 BOOST 转换器相同,只是控制 MOSFET 位于顶部,它会在输入侧产生脉冲开关电流。在这种情况下,需要为输入电容处理高开关电流,且图中红色圆圈中的环路必须很小,因为只有很小的锯齿纹波电流才能流过输出电容器。脉冲接地电流来自 MOSFET M1 和输入电容器,如果 M1 和输入电容并排放置,则两个电流相加,由此产生的接地电流将像叠加在锯齿电流纹波上的直流电流一样,其余的元件布局和 PCB 布局与 BOOST 转换器的 PCB 布局完全相同。

图5 降压转换器配置图
图5 降压转换器配置图

接下来需要考虑降压-升压转换器的情况,其电路图如下图 (图6) 所示。乍一看,降压-升压转换器更为复杂,但其实该电路可以分解为降压和升压转换器,每个电路根据输入电压切换其操作。如果输入电压低于输出电压,它将充当 BOOST 转换器,如果输入电压高于输出电压,它将作为 BUCK 转换器工作。

 

电路的每个部分也可以独立布局,虽然这两个部分不必彼此靠近,但还是建议将它们靠得近一些,以最小化作为 EMI 源的开关节点的大小。除此以外,控制器需要远离两个高开关电流区域,并将 MOSFET/ 开关节点-电感-输出电容 (Cout) 放置在同一表面上。如果布置面不同,布线距离会很长,则无法实现紧密布局,但如果通过通孔,该部分可能会产生寄生电感,并且在开关过程中可能会产生较大的尖峰电压。

图6 降压-升压转换器的电路图
图6 降压-升压转换器的电路图

总结

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