DC/DC 转换器的高密度 PCB 布局——第 1 部分

 1.前言

今天，在竞争激烈的时代，产品设计师面临的挑战是保持领先地位，而不仅仅是与时俱进。这提高了系统设计人员通过差异化产品进行创新的赌注。

一种重要的创新方式是采用高密度设计。在推动更小尺寸解决方案的过程中，电源系统设计人员现在专注于功率密度问题——功率转换器电路单位面积或体积的输出功率。

用于高密度的 DC/DC 转换器印刷电路板 (PCB) 布局的最明显示例与功率级组件布局和布线有关。仔细布局可以实现更好的开关性能、更低的组件温度和减少的电磁干扰 (EMI) 特征。考虑图 1 中的功率级布局和原理图。

图 1：四开关降压-升压转换器功率级布局和原理图

 2.布局要点

在我看来，这些是设计高密度 DC/DC 转换器时的挑战：

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组件技术。元件技术的进步是降低整体功耗的关键，尤其是在对滤波器无源元件尺寸减小至关重要的更高开关频率下。例如，功率 MOSFET 在硅和封装方面取得了持续的进步，最显着的是引入了具有极低寄生参数的氮化镓 ( GaN ) 功率器件。与此同时，磁性元件的性能已经独立提高，尽管速度可以说落后于功率半导体。控制 IC 的谨慎布局 - 具有靠近 MOSFET 的集成自适应栅极驱动器- 在许多情况下，无需使用功耗缓冲器或栅极电阻器组件进行开关节点电压压摆率调整。

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热设计。虽然高密度布局通常有利于转换效率，但它可能会造成热性能瓶颈。在更小的占位面积中相同的功耗变得站不住脚。组件温度升高加剧了对更高故障率和可靠性的担忧。放置在 PCB 顶部的低剖面功率 MOSFET - 不受较高组件（如电感器和电解电容器）的气流影响 - 有助于通过对流气流提高热性能。对于图 1 中的转换器，电感器和电解液特意位于多层 PCB 的底部，因为如果放置在顶部，它们会阻碍热传递。

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电磁干扰性能。EMI 法规遵从性是产品设计周期中的一个重要里程碑。高密度设计通常几乎没有空间可用于 EMI 滤波。然而，紧凑的布局改善了辐射发射以及对传入干扰的免疫力。两个基本步骤是最小化包含高 di/dt 电流的环路面积（参见图 1 中的白色电流路径）并减少具有高 dv/dt 电压的表面积（参见图 1 中的 SW1 和 SW2 铜多边形）。

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高密度 PCB 设计流程。显然，电源系统设计人员开发和磨练他们的 PCB 设计技能非常重要。尽管布局职责通常委派给布局专家，但工程师仍负有审查设计并在其上签字的最终责任。

3.设计基本步骤

DC/DC 转换器的 PCB 设计流程中的基本步骤是：

1.选择 PCB 结构和层叠规格。

2.从原理图中识别高 di/dt 电流回路和高 dv/dt 电压节点。

3.执行功率级组件布局和放置。

4.放置控制IC，完成控制部分布局。

5.执行关键的走线布线，包括 MOSFET 栅极驱动、电流检测和输出电压反馈。

6.设计电源和 GND 平面。

4.总结经验/规则

DC-DC的layout非常重要，会直接影响到产品的稳定性与EMI效果，总结经验/规则如下：
       1、处理好反馈环（对应上图中R1-R2-R3-IC_FB&GND），反馈线不要走肖特基下面，不要走电感（L1）下面，不要走大电容下面，不要被大电流环路包围，必要时可在取样电阻并个100pF的电容增加稳定性（但瞬态会受到一点影响）;
       2、反馈线宁可细不要粗，因为线越宽，天线效应越明显，影响环路的稳定性。一般用6-12mils的线;

   3、所有电容尽可能靠近IC;
       4、电感按规格书指标的120-130%的容量选取，不可过大，过大会影响效率和瞬态;
       5、电容按规格书的150%的容量选取。如果是用贴片陶瓷电容，如果用22uF，用两个10uF并联会更好。若对于成本不敏感，电容可用更大些。特别提示：输出电容，若是用铝电解电容，千万记得要用高频低阻的，不可随便放个低频滤波电容！
       6、尽可能缩小大电流环路的包围面积。如果不方便缩小，用敷铜的方式变成一条窄缝。