DCDC基础:PCB布局及注意事项

在DCDC电源电路中,PCB的布局对电路功能的实现和良好的各项指标来说都十分重要。本文以buck电路为例,简单分析一下如何进行合理PCB layout布局以及设计中的注意事项。如有问题,欢迎指正。

首先,以最简单的BUCK电路拓扑为例,下图(1-a)和(1-b)中分别标明了在上管开通和关断时刻电流的走向,即功率回路部分。这部分电路负责给用户负载供电,承受的功率较大。


结合图(1-c)中Q1和Q2的电流波形,不难发现,由于电感的存在,后半部分电路中不会存在一个较高的电流变化趋势,只有在两个开关管的部分会出现高电流转换速率。在PCB布线时需要特别注意,尽可能减小这一快速变化的环节的面积,来减少对其他部分的干扰。随着集成工艺的进步,目前大部分电源芯片都将上下管集成到了芯片的内部。

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了解了高电流转换速率部分后,让我们回到整个功率回路布局来看。以MPS的非常受欢迎的MPQ8633A(B)系列产品为例,这是一款完全集成的高频同步降压转换器可以实现高达12-20A的输出电流,其原理图如下,其功率回路(绿色标注)中包含输入电容,电感以及输出电容等器件。


功率回路也需要做到尽可能地占用较小的环路面积,来减少噪声的发射以及回路上的寄生参数。推荐的PCB布局如图(3)所示。注意点如下:

  • 输入电容就近放在芯片的输入Vin 和功率地PGND ,减少寄生电感的存在,因为输入电流不连续,寄生电感引起的噪声对芯片的耐压以及逻辑单元造成不良影响。VIN 的管脚旁边至少各有1 个去耦电容 ,用来滤除来自电源输入端的交流噪声和来自芯片内部(倒灌)的电源噪声,同时也为芯片储能。且电容需要紧挨管脚,两者的间距需要小于40mil

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  • 功率回路尽可能的短粗,保持较小的环路面积 ,减少噪声的发射。

  • SW 点是噪声源,保证电流的同时保持尽量小的面积 ,远离敏感的易受干扰的位置,例如FB 等。

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  • 铺铜面积和过孔数量会影响到PCB 的通流能力和散热。 由于PCB的载流能力与PCB板材、板厚、导线宽厚度以及温升相关,较为复杂,可以通过IPC-2152标准来进行准确的查找和计算。一般,对于MPQ8633A(B)的PCB来说,需要在VIN(至少打6个过孔)和PGND(至少打9个过孔)处多打过孔,这两处的铺铜应最大化来减小寄生阻抗。SW处的铺铜也需要加宽,以免出现限流的情况,导致工作异常。

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讨论完功率回路部分,转眼看芯片逻辑电路部分,这部分的PCB布局也是有所讲究的。

结合图(3)和(4)可总结注意点如下:

  1. 将BST 电容放置在尽可能靠近BST 和SW 的位置 ,使用20mil 或更宽 来布线路径。
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  2. FB 电阻连接到FB 管脚尽可能短, 减少噪声的耦合。这是芯片最敏感,最容易受干扰的部分,是引起系统不稳定的十分常见原因。需要将其远离噪声源,例如:SW点,电感,二极管等(在非同步buck中,MPQ8633外围无二极管)。如图,RFF、CFF、RFB1、RFB2都尽量靠近芯片摆放。

  3. VCC 电容应就近放置在芯片的VCC 管脚和芯片的信号地之间,尽量在一层,没有过孔 。对于信号地(AGND)和功率地(PGND)在一个管脚的芯片,同样就近和该管脚连接。
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  4. AGND和PGND需要进行单点连接

  5. 将SS 电容靠近TRK/REF 至RGND
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  6. 将SENSE电容置于输出SENSE线之间,平行走线
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  7. PCB layout 中走线和铺铜都尽量避免90 °直角 ,走45°或者圆弧角,特别是在高频信号传输线部分。避免由传输线宽带来的反射和传输信号的失真。
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最后,为了方便大家了解自己画的PCB是否合理,可以参考以下简易表格做一个自评:

设计建议 比重(%) 自评打分 备注
器件位置摆放 输入电容靠近芯片放置,去耦电容需要放置在VIN与功率PGND管脚旁边6mil (允许元器件最小间距),最好不要超过40mil。与芯片放置在同一层。 20
电感靠近SW管脚放置。与芯片放置在同一层。 15 使用电源模块,可忽略此条
输出电容两端需靠近电感Vout端和功率PGND放置。与芯片放置在同一层。 15
续流二极管需要靠近电感SW与功率PGND放置。与芯片放置在同一层。 5 使用同步电源芯片,可忽略此条
VCC电容需靠近芯片VCC管脚放置。与芯片放置在同一层。 3
FB电阻需靠近FB管脚放置,走线尽量短。与芯片放置在同一层。远离噪声源。 3
BST RC需靠近SW和BST管脚放置。与芯片放置在同一层。 3
COMP RC靠近管脚放置。 3 若无此管脚,可忽略此条。
大功率网络铺铜 VIN 铺铜 3
SW铺铜在足够通流情况下越短越好。 4
Vout铺铜 3
GND铺铜 4 在最后进行整体铺铜较为便捷。
VIA过孔 GND网络过孔数量≥(Iin+Iout)/200mA 4
VIN网络过孔数量≥Iin/200mA 3
Vout网络过孔数量≥Iin/200mA 3
过孔不打在芯片管脚或器件焊盘上 1
其他弱电信号 EN 电阻尽量靠近芯片摆放,可放置在不同层。 1
SS RC尽量靠近芯片管脚摆放。 1
PG 1
其他(CS,mode等) 1 参考相应规格书
走线 走线以及铺铜都用45°或者圆弧角。 2
电感下方不走线。 1
采样信号平行走线。 1 若无此功能,可忽略此条。

以上表格适用于简单的buck、boost电路的PCB设计,多用单层或者双层板即可。仅供参考,欢迎补充。

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AGND和PGND的单点连接是否可以在同一top层,不走过孔?我看了一下MPS的车规IC的demo,基本上输入的PGND和输出的PGND都是通过过孔在其它PCB层连接的,这样做的目的有什么好处的,能否就在同一层通过0欧电阻单点连接?

  1. AGND和PGND距离近的话可以在同一层连接,不走过孔。
  2. 输入PGND和输出PGND需要大面积铺铜,不适合通过0欧姆电阻连接。一般top层元器件较多,将输入和输出的PGND在其他层连接还可以尽可能地减小环路。若是同一层的铺铜面积足够且环路可以做到很小,也可以在同一层连接。

您好!车规芯片特殊的PGND设计还与EMI优化有关,参考车规EVB demo的PCB设计一般可以过CISPR25 class5等级。

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AGND和PGND单点连接的介绍那里,明明有更近的PGND,怎么还去接远处的?不应该越短越好么?

AGND和PGND单点连接的目的是避免PGND上的高频电流对信号地产生干扰,尽量保证AGND是一个干净的参考地。所以连接的地方一般是在PGND经过大电容把高频电流滤除之后的地方,不是追求越近越好。

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你好,麻烦你解释一下图1-c中的曲线含义,抱歉没看懂。

Ts为一个完整的开关周期,D为占空比,DTs为上管Q1开通时间,此时Q2关断,IQ2为0。电流通路为(1-a)所显示,由于电感电流不能突变,IL缓慢上升,IQ1波形与IL一致。
D’T(即DTs~Ts)为下管Q2开通时间,此时Q1关断,IQ1为0,电流通过Q2续流,电流通路见(1-b),IL缓慢下降,IQ2波形与IL一致。

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感谢博主的分享,对于功率回路需要做到尽可能地占用较小的环路面积,来减少噪声的发射以及回路上的寄生参数,我有点体会了,画pcb不是那么简单的,学习到了!

电感下方铺地或不铺地有什么讲究吗,之前看到说是和电感的类型有关系,除了一体成型的磁屏蔽电感,其他电感下方铺地好像是会降低感量,但对EMI有一定抑制作用。

您好,关于电感下方铺铜问题,我们的电源小课堂有过详细解释,另外还做过一个实验可供您参考,谢谢!

MPS电源小课堂:电感底部铺地平面违章吗
【实验分享】在DC/DC 电源下方铺铜是否有益

输出电感是否可以放背面,不与芯片同层,SW点如果打孔了要注意哪些问题

DCDC布局要点,反馈环路尽可能小,电感远离敏感器件,尽量不靠板边,电感下不走线,输入输出电流走向顺畅

需要注意电流限流问题。另外电感与芯片不同层会增大SW部分的铺铜面积,产生的寄生参数与噪声导致EMI表现较差。

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DCDC电路自举电容,当传导测试不过时,尝试自举电容串联电阻可能有奇效。