發布日期：2022-04-20 點擊率：78
1.前言
今天，在競爭激烈的時代，產品設計師面臨的挑戰是保持領先地位，而不僅僅是與時俱進。這提高了系統設計人員通過差異化產品進行創新的賭注。
一種重要的創新方式是采用高密度設計。在推動更小尺寸解決方案的過程中，電源系統設計人員現在專注于功率密度問題——功率轉換器電路單位面積或體積的輸出功率。
用于高密度的 DC/DC 轉換器印刷電路板 (PCB) 布局的最明顯示例與功率級組件布局和布線有關。仔細布局可以實現更好的開關性能、更低的組件溫度和減少的電磁干擾 (EMI) 特征。考慮圖 1 中的功率級布局和原理圖。
圖 1：四開關降壓-升壓轉換器功率級布局和原理圖
2.布局要點
在我看來，這些是設計高密度 DC/DC 轉換器時的挑戰：
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組件技術。元件技術的進步是降低整體功耗的關鍵，尤其是在對濾波器無源元件尺寸減小至關重要的更高開關頻率下。例如，功率 MOSFET 在硅和封裝方面取得了持續的進步，最顯著的是引入了具有極低寄生參數的氮化鎵 ( GaN ) 功率器件。與此同時，磁性元件的性能已經獨立提高，盡管速度可以說落后于功率半導體。控制 IC 的謹慎布局 - 具有靠近 MOSFET 的集成自適應柵極驅動器- 在許多情況下，無需使用功耗緩沖器或柵極電阻器組件進行開關節點電壓壓擺率調整。
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熱設計。雖然高密度布局通常有利于轉換效率，但它可能會造成熱性能瓶頸。在更小的占位面積中相同的功耗變得站不住腳。組件溫度升高加劇了對更高故障率和可靠性的擔憂。放置在 PCB 頂部的低剖面功率 MOSFET - 不受較高組件（如電感器和電解電容器）的氣流影響 - 有助于通過對流氣流提高熱性能。對于圖 1 中的轉換器，電感器和電解液特意位于多層 PCB 的底部，因為如果放置在頂部，它們會阻礙熱傳遞。
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電磁干擾性能。EMI 法規遵從性是產品設計周期中的一個重要里程碑。高密度設計通常幾乎沒有空間可用于 EMI 濾波。然而，緊湊的布局改善了輻射發射以及對傳入干擾的免疫力。兩個基本步驟是最小化包含高 di/dt 電流的環路面積（參見圖 1 中的白色電流路徑）并減少具有高 dv/dt 電壓的表面積（參見圖 1 中的 SW1 和 SW2 銅多邊形）。
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高密度 PCB 設計流程。顯然，電源系統設計人員開發和磨練他們的 PCB 設計技能非常重要。盡管布局職責通常委派給布局專家，但工程師仍負有審查設計并在其上簽字的最終責任。
3.設計基本步驟
DC/DC 轉換器的 PCB 設計流程中的基本步驟是：
1.選擇 PCB 結構和層疊規格。
2.從原理圖中識別高 di/dt 電流回路和高 dv/dt 電壓節點。
3.執行功率級組件布局和放置。
4.放置控制IC，完成控制部分布局。
5.執行關鍵的走線布線，包括 MOSFET 柵極驅動、電流檢測和輸出電壓反饋。
6.設計電源和 GND 平面。
4.總結經驗/規則
DC-DC的layout非常重要，會直接影響到產品的穩定性與EMI效果，總結經驗/規則如下：
1、處理好反饋環（對應上圖中R1-R2-R3-IC_FB&GND），反饋線不要走肖特基下面，不要走電感（L1）下面，不要走大電容下面，不要被大電流環路包圍，必要時可在取樣電阻并個100pF的電容增加穩定性（但瞬態會受到一點影響）;
2、反饋線寧可細不要粗，因為線越寬，天線效應越明顯，影響環路的穩定性。一般用6-12mils的線;
3、所有電容盡可能靠近IC;
4、電感按規格書指標的120-130%的容量選取，不可過大，過大會影響效率和瞬態;
5、電容按規格書的150%的容量選取。如果是用貼片陶瓷電容，如果用22uF，用兩個10uF并聯會更好。若對于成本不敏感，電容可用更大些。特別提示：輸出電容，若是用鋁電解電容，千萬記得要用高頻低阻的，不可隨便放個低頻濾波電容！
6、盡可能縮小大電流環路的包圍面積。如果不方便縮小，用敷銅的方式變成一條窄縫。
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