四开关升降压布局技巧：确定布局的关键部件和优化功率级中的热回路

1.关键器件选择

布局对于降压-升压转换器的成功运行非常关键。

以LM5175为例：LM5175-Q1 是一款同步四开关降压-升压 DC/DC 控制器，能够将输出电压稳定在输入电压、高于输入电压或者低于输入电压的某一电压值上。LM5175-Q1 可在 3.5V 至 42V 的宽输入电压范围内运行（最大值为 60V），支持各类 应用。

LM5175-Q1 在降压和升压工作模式下均采用电流模式控制，以提供出色的负载和线路调节性能。开关频率可通过外部电阻进行编程，并且可与外部时钟信号同步。

该器件还 具有 可编程软启动功能，并且提供 诸如 逐周期电流限制、输入欠压锁定 (UVLO)、输出过压保护 (OVP) 和热关断等各类保护特性。此外，LM5175-Q1 特有 可选择的连续导通模式 (CCM) 或断续导通模式 (DCM)、可选平均输入或输出电流限制、可降低峰值电磁干扰 (EMI) 的可选扩展频谱以及应对持续过载情况的可选断续模式保护。

良好的布局首先要确定这些关键组件，如图 1 所示：

· 高 di/dt 回路或热回路。

· 高 dv/dt 节点。

· 敏感的痕迹。

图 1：识别高 di/dt 环路、高 dv/dt 节点和敏感走线

图 1 显示了 LM5175 四开关降压-升压转换器中的高 di/dt 路径。

最主要的高 di/dt 环路是输入开关电流环路和输出开关电流环路。输入回路由输入电容器 (C IN )、MOSFET（Q H1和 Q L1）和检测电阻器 (R s ) 组成。输出回路由输出电容器 (C OUT )、MOSFET（Q H2和 Q L2）和检测电阻器 (R s ) 组成。

高 dv/dt 节点是那些具有快速电压转换的节点。这些节点是开关节点（SW1 和 SW2）、引导节点（BOOT1 和 BOOT2）和栅极驱动走线（HDRV1、LDRV1、HDRV2 和 LDRV2），以及它们的返回路径。

从电阻器 R s到集成电路 (IC) 引脚（CS 和 CSG）、输入和输出检测迹线（VISNS、VOSNS、FB）和控制器组件（SLOPE、R c1、C c1、 C c2 ) 形成对噪声敏感的迹线。它们在图 1 中以蓝色显示。

为了获得良好的布局性能，尽量减少高 di/dt 路径的环路面积，尽量减少高 dv/dt 节点的表面积，并使噪声敏感的走线远离噪声（高 di/dt 和高 dv/dt）部分电路。

2.优化功率级中的热回路

布局对于降压-升压转换器的成功非常关键，第一步是确定关键组件。一旦我们确定了 DC/DC 转换器设计的关键部分，我们的下一个任务就是最大限度地减少任何噪声源和不需要的寄生参数。最大限度地减少热循环是朝着这个方向迈出的重要的第一步。图 1 显示了四开关降压-升压转换器中的热回路或高 di/dt 回路。除了输入和输出开关环路（第 1 至 6 号）之外，图 1 还突出显示了由栅极驱动器及其返回路径形成的热环路。

图 1：四开关降压-升压转换器中的热回路

由于功率级热回路（红色）包含最大的开关电流，因此首先优化它们。在降压周期中，输入回路（第 1 号）承载开关电流。在升压周期中，输出回路（第 2 号）承载开关电流。根据我的经验，在使用对称布局优化两个回路时，我实现了最低的回路面积和最紧凑的设计。

图 2 和图 3 是良好功率级布局的示例。图 2a 中所示的布局示例为感测电阻器和 FET 中产生的热量提供了更好的散热路径。考虑遵循图 2b 中所示的布局示例来创建更高密度的设计，因为它将功率级组件更紧密地包装在一起。

图 2：对称功率级布局最大限度地减少了四开关降压-升压转换器中的输入和输出功率环路，(a) 中等密度设计，(b) 高密度设计

功率级的尺寸、热稳定性和噪声性能需要权衡。较小的 di/dt 环路和较小的 dv/dt 节点具有较低的寄生效应并且辐射也较少。它们在存在外部噪声的情况下也更加稳健，因为较小的环路面积耦合较少的噪声。然而，较小的设计在热方面受到更多限制，因为没有多少铜直接连接到散热元件，包括 MOSFET、检测电阻器和电感器。对于功率相对较高的设计，我们可能需要在开关节点处增加铜面积以限制温度。

图 3 显示了一种能够处理更高电流并允许 FET 并联的设计。热量分布在 FET 之间，然后可以扩散到相邻的铜平面，从而避免温度过度升高或形成热点。

图 3：用于更高功率设计的具有平行 FET 和更大铜面积的示例布局