Buck電路中PCB layout布局設(shè)計和注意事項

本期內(nèi)容

在DCDC電源電路中，PCB的布局對電路功能的實現(xiàn)和良好的各項指標(biāo)來說都十分重要。今天我們以Buck電路為例，分析如何進(jìn)行合理PCB layout布局以及設(shè)計中的注意事項。

01功率回路

如圖1(a)和1(b) 展示的分別是上管開通和關(guān)斷時的電流回路，即我們通常說的功率回路部分。這部分電路負(fù)責(zé)給用戶負(fù)載供電，承受的功率較大。電路中的上下管一般使用MOS管，由芯片內(nèi)部產(chǎn)生的PWM信號來控制他們進(jìn)行高速的開斷。而后半部分電路中的電感和電容組成了一個LC濾波電路，故不會存在一個較高的電流變化趨勢。

圖1(a) 圖1(b)

圖1(c)

結(jié)合上管和下管，即Q1、Q2的電流波形（圖1(c)），不難發(fā)現(xiàn)，只有在兩個開關(guān)管的部分會出現(xiàn)高電流轉(zhuǎn)換速率。由于PWM信號處電壓的快速變化，SW點會產(chǎn)生較強的噪聲。所以我們在PCB布線時需要特別注意，盡可能減小這一快速變化環(huán)節(jié)的面積來減少對其他部分的干擾?？上驳氖牵S著集成工藝的進(jìn)步，目前大部分電源芯片都將上下管集成到了芯片的內(nèi)部，只有較少數(shù)的應(yīng)用需要外置MOS或是二極管。

02功率回路的PCB布局

對于一個常見的buck芯片，其電感充電功率回路中包含輸入電容，集成在芯片內(nèi)部的上管MOSFET，功率電感以及輸出電容等器件。而電感放電功率回路中則包含功率電感、輸出電容和集成在芯片內(nèi)部的下管MOSFET等。

圖2(a) 電感充電功率回路

圖2(b) 電感放電功率回路

在進(jìn)行PCB布線時，這兩個功率回路走線要盡可能的短粗，在保證通流能力的情況下保持較小的環(huán)路面積，這樣可以減少對外輻射的噪聲。

輸入電容：

需就近放在芯片的輸入Vin和功率地PGND，來減少寄生電感的存在。因為輸入電流不連續(xù)，寄生電感引起的噪聲可能會超過芯片的耐壓以及對邏輯單元造成不良影響。VIN管腳旁邊至少要有1個去耦電容，距離最好小于40mil，用來濾除來自電源輸入端的交流噪聲和來自芯片內(nèi)部（倒灌）的電源噪聲，同時也會起到儲能作用。

SW點：

是開關(guān)節(jié)點，為噪聲源，所以應(yīng)在保證電流的同時保持盡量小的面積，遠(yuǎn)離易受干擾的信號走線。另外需要注意的是，對于大電流應(yīng)用的Buck電路，盡量不要在SW處打過孔，避免把噪聲帶到其他層去。

輸出電容：

與輸入電容相似，輸出電容需要就近放在電感的輸出VOUT和功率地PGND，PGND 與輸出電容最短連接并鋪整銅，以保證功率回路最小。

鋪銅面積與過孔數(shù)量：

這兩者會影響到PCB的通流和散熱能力。一般需要在VIN，Vout和GND處多打過孔，這兩處的鋪銅也應(yīng)最大化來達(dá)到減小寄生阻抗的目的，SW處的鋪銅也不能過小，以免出現(xiàn)限流的情況，導(dǎo)致工作異常。由于PCB的載流能力與PCB板材、板厚、導(dǎo)線寬厚度以及溫升相關(guān)，較為復(fù)雜，可以通過具體設(shè)計規(guī)范來進(jìn)行準(zhǔn)確的查找和計算。

03邏輯電路的PCB布局

在buck電路中，一般需要注意以下幾個邏輯環(huán)節(jié)：自舉電容、反饋電路、VCC和單點接地。

自舉電容：

中高壓buck芯片內(nèi)部集成的上管一般都為NMOS，故需要BST自舉電路。在電感放電期間，通過對自舉電容進(jìn)行充電，在BST管腳處就會產(chǎn)生一個高于SW的電壓，在電感充電期間驅(qū)動上管。故BST與SW一樣，也是一個電壓高速跳變的點，會輻射出較強的噪音。自舉電容也要放置在盡可能靠近BST和SW的位置，避免對其他信號的影響，布線時寬度一般在20mil即可。

反饋電路：

一般包括FB上下分壓電阻和前饋電容。由于FB點的電壓很低，普遍在0.6-0.8V左右，極易與噪聲或紋波混淆，是芯片最敏感，最容易受干擾的部分，也是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的常見原因。所以在布線時，上下分壓電阻和前饋電容都盡量靠近芯片擺放來減少噪聲的耦合，F(xiàn)B電阻連接到FB管腳的走線要盡可能地短來減小寄生電感以及阻抗。同時，需要注意FB連接到Vo的走線可以通過過孔設(shè)置在其他層，但也要盡可能遠(yuǎn)離噪聲源，如SW、BST、電感等。

VCC電容：

VCC為芯片邏輯電路供電，是芯片內(nèi)部LDO的輸出。VCC電容應(yīng)就近放置在芯片的VCC管腳和GND管腳之間，起到穩(wěn)壓的作用。并且電容與芯片盡量在一層，不打過孔。

單點接地：

輸出電流較大的芯片，他們的地一般會被區(qū)分為PGND和AGND，PGND就是功率地，AGND就是我們一般所指的信號地，與FB、EN、VCC等芯片邏輯部分相關(guān)。為了避免整塊的功率地影響到較為敏感的信號地，建議將AGND和PGND單點連接，通過一個0ohm電阻連接也可以。

這是因為盡管PGND的大塊鋪銅可以起到吸收輸入端電源噪音的作用，但是在輸出電流較大的情況下，其輻射出的噪音依舊會對敏感的邏輯電路造成影響。單點連接的布線方式可以為我們的邏輯電路提供一個相對“干凈”的地。

以上，就是我們在畫buck電路PCB時需要著重注意的地方。當(dāng)畫PCB無從下手時，也可以先打開芯片的規(guī)格書，查看demo板的PCB layout或是相關(guān)的指導(dǎo)。

04PCB“健康體檢表”

最后，為了方便大家了解自己畫的PCB是否合理，可以參考以下PCB“健康體檢表”做一個自評：