四开关升降压布局几个关键技巧

关键器件的布局

布局对于降压-升压转换器的成功运行非常关键。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.最大限度地减少热循环

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效应。最大限度地减少热循环是朝着这个方向迈出的重要第一步。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检测电阻器和 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，因为较小的环路区域耦合的噪声较少。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并行 FET 和更大铜面积的示例布局

3. 将差分传感线与电源平面分离

布局中最常遇到的问题是从检测电阻到 TI 的 LM5175 集成电路 (IC) 引脚（CS-CSG 对）的差分检测信号的布线不正确。传感连接的示例如图 1 所示。

图 1：LM5175 原理图显示了从功率级到控制器引脚的差分检测连接。

在某些情况下，设计人员会犯此错误，因为其中一个检测节点（检测电阻器的下侧，在黄色圆圈中标记为节点“N”）在电气上与电路接地 (GND) 相同。因此，布局工程师不清楚需要差分路由 CS-CSG 对（携带小信号（数十毫伏））。图 2 显示了这个常见错误。

图 2：(a) 更正差分电流检测布线和 (b) 布线差分检测信号时的常见错误。

在其他情况下，设计人员确实认识到需要对电流检测信号进行差分路由。但是在完成电路板的过程中，负极走线连接到平面或覆铜，因为布局工具将网络视为接地 (GND) 网络。如图 3 所示，这种意外连接可能发生在沿线的任何地方。在接下来的段落中，我将描述一些常见的做法来避免这种情况。

图 3：差分检测信号与电源接地层的无意连接示例。

网络关系

网络连接允许在原理图中人为地分离网络名称（图 4）。这允许布局工具将 N1 和 N2 视为单独的节点，并保护大部分差分走线 (N2) 免受意外连接到地平面或浇筑。缺点是 N1 部分在技术上是一个 GND 网络，因此仍然需要与 GND 平面或覆铜分离（图 4）。

图 4：使用 Net-Tie 防止感应信号意外连接到铜层或覆铜层的示例。

多边形切口或保留切口

许多布局工具提供称为多边形切口或多边形保留的功能。Polygon keep outs 创建一个边界，防止多边形或铜浇注进入。多边形禁止层必须从头到尾遵循感测轨迹。当感测迹线通过过孔改变层时，您必须格外小心。在这种情况下，您必须在通孔周围的所有层上使用多边形保持区。图 5 显示了一个示例。

图 5：正确使用多边形切口将感应走线与电源平面分开。

感测走线的不正确布线会破坏原本良好的设计。识别感应痕迹——尤其是那些与铜区域、平面或浇注共享网络名称的痕迹——是必不可少的。在印刷电路板 (PCB) 设计过程中，必须使用网线或多边形保持器隔离这些走线，以防止无意中连接到铜平面。