?線路板廠DC-DC電源PCB布局布線

電路板廠DC-DC電源PCB布局布線

DC-DC開(kāi)關(guān)電源的性能與PCB的布局密切相關(guān)。由于開(kāi)關(guān)DC-DC有快速開(kāi)關(guān)、電源通過(guò)電流和散熱的考慮，不合理的布局和布線會(huì)極大地影響電源性能，并且會(huì)形成嚴(yán)重的噪聲源。

布局：

在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的布局中，交流路徑的布局極其重要，而直流路徑可以認(rèn)為是次要的，但反饋信號(hào)強(qiáng)度是整個(gè)DC-DC電源的唯一關(guān)鍵信號(hào)。

眾所周知，PCB上的走線具有電感，約為20nH/英寸。只要有電流流過(guò)Trace，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但電壓值并不取決于電流的大小，而是取決于電流的變化率，V=L * (dI/dt)。因此，AC路徑在PCB設(shè)計(jì)中非常重要，特別是對(duì)于使用高速開(kāi)關(guān)管的DC-DC集成電路，dI/dt會(huì)很高。 NS（美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體）給出了一個(gè)粗略的數(shù)字：“對(duì)于典型的降壓轉(zhuǎn)換器，交流部分的電流變化是關(guān)斷過(guò)程中負(fù)載電流的1.2倍，關(guān)斷過(guò)程中負(fù)載電流的0.8倍。開(kāi)關(guān)過(guò)程?！边@里，AC路徑的走線必須盡可能短，包括GND引腳的走線。雖然流經(jīng)GND引腳的電流很小，但開(kāi)關(guān)切換過(guò)程會(huì)刷新流經(jīng)GND引腳的電流，電流會(huì)變得非常陡峭。這意味著輸入電容和旁路電容應(yīng)盡可能靠近IC放置，特別是對(duì)于降壓IC。

PCB layout

IC周?chē)目臻g有限，所以輸入電容和旁路電容不能同時(shí)靠近IC放置，特別是輸入電容比較大。

首先了解一下輸入電容的作用，就是讓輸入到IC的電壓盡可能穩(wěn)定，減少電壓波動(dòng)。其實(shí)應(yīng)該說(shuō)，大輸入電容可以看作是板上的總電源。同時(shí)，輸入電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）可能非常高，這會(huì)在IC的輸入電源引腳處引起高頻輸入電壓紋波。因此，輸入電容器可以放置在距IC約1英寸的范圍內(nèi)。

旁路電容必須盡可能靠近IC的輸入電源引腳。短引腳或無(wú)引腳的旁路手電筒一般采用0.1uF至0.47uF的陶瓷電容，對(duì)于濾除高頻紋波有很好的效果。短引腳或無(wú)引腳會(huì)降低電容器的寄生電感（ESL）。同時(shí)一般采用1206和X7R封裝。如果使用小封裝尺寸，電容器的ESL和ESR將會(huì)增加。一般情況下，此類(lèi)旁路電容應(yīng)放置在 IC 的電源引腳旁邊。

DC-DC開(kāi)關(guān)電源中都會(huì)有一個(gè)鉗位二極管，其放置位置也很關(guān)鍵。由于鉗位二極管的一端是連接IC的SW引腳，因此該引腳的信號(hào)為矩形波。如果走線太長(zhǎng)，其電感很容易拾取噪聲并將其添加到 SW 信號(hào)中，形成噪聲尖峰。鉗位二極管布局的基本點(diǎn)是靠近IC放置，并使用短而寬的走線直接連接IC的SW引腳和GND引腳。

當(dāng)輸入旁路電容和鉗位二極管放置正確后，就可以布置其他器件。連接輸入旁路電容和鉗位二極管的走線應(yīng)盡可能短且寬，并且與IC連接的路徑中不能有過(guò)孔，這意味著它們需要與IC在同一層，以便表面貼裝電路板。這里沒(méi)有過(guò)孔僅意味著不應(yīng)在 IC 與輸入旁路電容器和鉗位二極管之間的走線中激活 VIA。然而，如果雙面或多層板需要通過(guò) VIA 連接到 GND 和電源層，則可以在輸入旁路電容和鉗位二極管附近的 PAD 旁邊（而不是在連接的跡線中）激活 VIA。

接線：

在許多情況下，銅涂層被濫用。 GND層或VCC層敷銅沒(méi)問(wèn)題。可以降低電流環(huán)路阻抗，作為關(guān)鍵信號(hào)的參考，減少干擾。不過(guò)，剛才布局中提到的鉗位二極管走線應(yīng)該短而寬，但并不是越寬越好。 Trace很短，這很容易理解。每個(gè)人都會(huì)意識(shí)到“20nH/英寸”的經(jīng)驗(yàn)法則是走線電感與長(zhǎng)度成正比。但走線電感不是與寬度成反比嗎？通常很多人都會(huì)直覺(jué)地認(rèn)為是的。根據(jù)微量電感公式：L = 2l * [ln（2l/w） - 0.5 + 0.2235 * (w/l)]

可以看出，電感值和走線寬度是非線性的。為了減少寄生電感的影響，加寬走線應(yīng)該是最后的手段。第一步應(yīng)該是減少走線長(zhǎng)度。特別是，由于鉗位二極管連接到SW引腳，因此電壓本身就是開(kāi)關(guān)波形。如果走線被過(guò)寬的銅涂層取代，就會(huì)被認(rèn)為是天線，并會(huì)引入 EMI 問(wèn)題。對(duì)于開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，最好的選擇是將其周?chē)~箔的尺寸控制在實(shí)際要求的最小范圍內(nèi)。

電源線被覆銅替代是Layout中常見(jiàn)的現(xiàn)象。人們認(rèn)為，銅敷設(shè)得越大，可以承載的電流就越大。事實(shí)上，銅的截面積（寬度*厚度）越大，單位長(zhǎng)度的走線電阻越小，發(fā)熱量也越小。電流處理能力的實(shí)質(zhì)是Trace的溫升。電源部分Trace的尺寸要通過(guò)定量計(jì)算確定，不宜敷太多銅。一般溫升30℃~40℃是可以接受的，同時(shí)也受周?chē)訜嵫b置的影響。不得超過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂板的額定溫度（FR4應(yīng)保持在120℃以下）。

經(jīng)驗(yàn)法則：適用于中等溫升（30℃以下）且電流小于5A