优化同步降压转换器的PCB布局

1.前言

降压 DC/DC 转换器（见图 1）是许多电气和电子应用中非常流行的开关 DC/DC 稳压器拓扑，从云基础设施到个人电子产品再到工厂和楼宇自动化。它们代表了当今所有非隔离式开关稳压器拓扑的 75% 以上。

降压转换器的布局与仿真和设计一样重要，但缺乏良好的布局实践可能会阻碍开发时间或导致运行和可靠性问题。

图 1：同步降压 DC/DC 转换器

布局考虑包括旁路电容器的放置、反馈补偿网络组件、电源组件、寄生组件以及接地回路和连接。

2.旁路电容

对于旁路电容器，重要的是通过最小化旁路环路面积、缩短高 di/dt（电流压摆率）路径的长度、尽可能使用接地层、使电流路径跨电容器端子并避免多个布局。旁路电容是可将混有高频电流和低频电流的交流电中的高频成分旁路滤掉的电容。 对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling，也称退耦）电容是把输出信号的干扰作为滤除对象。

此外，并联不同类型的电容器以降低电容器频带的阻抗也很重要，因为它可以降低 2MHz 至 20MHz 频率范围内的阻抗（典型电容器值为 0.1μF 至 0.01μF）。将电容器拉近集成电路 (IC) 引脚还可以向布局设计人员展示关键节点和区域，如图 2 所示。

图 2：指示关键回路区域的旁路电容器电路连接

3.反馈补偿网络

将补偿网络靠近 IC 误差放大器放置。放置电阻器，使其直接连接到误差放大器的反相输入端（FB 引脚），如图 3 所示。

图 3：反馈补偿网络放置

4.电源组件

确保正确连接功率组件，因为电流路径中存在高 di/dt（电流压摆率），如图 4 所示。路径中的任何电感都会导致开关节点振铃，这可能会超过功率 FET 的绝对最大额定值，还会导致系统中出现谐波和不需要的噪声。目标是通过使用双面印刷电路板 (PCB) 安装来最小化环路面积，在 PCB 的一侧使用 MOSFET，在另一侧使用电容器。确保相应地放置和布线组件。正确的设计不需要缓冲电路来减少开关节点振铃。

图 4：指示高电流路径的电源组件连接

5.寄生元件

注意寄生元件，因为它们会在电源中引入和增加阻抗，从而导致稳定性和操作问题。寄生元件是电路中电子元件产生的附加元件，而且多半不是设计时想要的。例如，电阻器被设计用来产生阻抗，然而它实际也会产生不需要的寄生电容。

注意接线电感，尤其是低阻抗电路和滤波器、电源开关和定时电路。使用接地层和宽走线来最小化电感。在电路板电容方面，请注意高阻抗或噪声敏感电路，并注意电路板平面/层之间以及与元件焊盘之间的耦合。也可能发生磁耦合，例如，从电感器到电感器，尤其是环形电感器；在这种情况下，请考虑替代安装方向。环路之间也可能发生磁耦合，因此尽量减少环路面积并使用接地层。

6.接地回路和连接

无论是串联还是并联，单点接地都会出现问题，如图 5 所示。

图 5：串联和并联单点接地连接

更好的方法是使用多点接地。如图 6 所示，多点接地可实现电路之间的低阻抗，以最大限度地减少电位差，同时还降低了电路走线电感。目标是在单个电路中包含高频电流并使它们远离接地层。

图 6：多点接地连接

许多降压转换器控制 IC 识别噪声和安静的电路区域，并且 IC 引脚排列使得 IC 引脚周围的布局和组件放置更容易。有些甚至为电源和模拟接地提供单独的引脚，如图 7 所示的 TPS40170 60V 同步降压脉宽调制 (PWM) 控制器引脚排列所示。

图 7：用于模拟和电源连接的降压控制器 IC 引脚排列

因此，围绕 IC 引脚布局规划布局并使用本文中提到的良好布局实践可以帮助我们从一开始就让降压转换器设计正常工作，并避免以后出现任何麻烦。