DC-DC開(kāi)關(guān)電源PCB布局布線EMC設(shè)計(jì)
DC-DC的Layout要點(diǎn)
在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，PCB布局設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)同樣重要。合理的布局可以避免電源電路引起的各種問(wèn)題。不合理的布局可能導(dǎo)致輸出和開(kāi)關(guān)信號(hào)疊加引起噪聲增加、調(diào)節(jié)性能惡化、穩(wěn)定性欠佳等。采用恰當(dāng)?shù)牟季挚梢员苊膺@些問(wèn)題的發(fā)生。
01 DC-DC的環(huán)流
圖1：開(kāi)關(guān)元件Q1導(dǎo)通時(shí)的電流路徑
如圖1的紅色線表示開(kāi)關(guān)元件Q1導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的主要電流和路徑以及方向。Cbypass是高頻用去耦電容器，CIN是大容量電容器。開(kāi)關(guān)元件Q1導(dǎo)通的瞬間，流過(guò)急劇的電流，其大部分由Cbypass提供，其次由CIN提供，緩慢變化的電流則由輸入電源提供。
圖2：開(kāi)關(guān)元件Q1關(guān)斷時(shí)的電流路徑
圖2的紅色線表示開(kāi)關(guān)元件Q1關(guān)斷時(shí)的電流路徑。續(xù)流二極管D1導(dǎo)通，電感器L中蓄積的能量會(huì)釋放到輸出側(cè)。因?yàn)榻祲恨D(zhuǎn)換器的輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中串聯(lián)了電感，所以輸出電容器的電流雖然上下波動(dòng)，但比較平滑。
圖3：電流差分、布局方面的重要路徑
圖3的紅色線表示圖1和圖2的差分。開(kāi)關(guān)元件Q1從關(guān)斷到開(kāi)通，從開(kāi)通到關(guān)斷切換時(shí)，紅色線部分的電流都會(huì)急劇變化。由于這個(gè)變化很快，所以會(huì)出現(xiàn)含有較多高次諧波的波形。該差分系統(tǒng)在PCB布局時(shí)是重要之處，需要給予最大限度的重視。
02 PCB布局要點(diǎn)
PCB布局要點(diǎn)大致如下：
1#：將輸入電容器，續(xù)流二極管和IC芯片放置在PCB的同一個(gè)面上，并盡可能靠近IC芯片放置。
2#：為改善散熱條件可以考慮加入散熱過(guò)孔陣列。
3#：電感可使來(lái)自開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的輻射噪聲最小化，重要程度僅次于輸入電容，需要放置在IC的附近處，電感布線的銅箔面積不要過(guò)大。
4#：輸出電容器盡量靠近電感器放置。
5#：反饋路徑的布線盡量遠(yuǎn)離電感器、續(xù)流二極管等噪音源。
03 輸入電容器的布局
設(shè)計(jì)布局時(shí)，首先應(yīng)放置最重要的部件：輸入電容器和續(xù)流二極管。在設(shè)計(jì)電流較小的電源（Iout≤1A）時(shí)，需要的輸入電容也比較小，有時(shí)一個(gè)陶瓷電容器可以同時(shí)作為CIN和Cbypass來(lái)使用。這是因?yàn)樘沾呻娙萜鞯碾娙葜翟叫?，頻率特性越好。但是，由于不同陶瓷電容器的頻率特性不同，使用前確認(rèn)好實(shí)際使用產(chǎn)品的頻率特性。
圖：陶瓷電容的頻率特性
CIN:1μF 50V X5R 10μF 50V X5R
CBY:0.1μF 50V X7R 0.47μF 50V X7R
如圖4所示，當(dāng)使用大容量電容器作為CIN時(shí)，一般而言其頻率特性并不好，所以通常需要與CIN并聯(lián)配置一顆頻率特性優(yōu)異的高頻去耦電容器Cbypass，Cbypass通常使用表面貼裝型的疊層陶瓷電容器（MLCC），一般選擇X5R或X7R型，容值為0.1μF～0.47μF的電容。
圖5：理想的輸入電容器的布局
如果Cbypass、IC的VIN引腳與GND引腳的距離較遠(yuǎn)，受布線寄生感抗的影響會(huì)產(chǎn)生電壓噪聲/振鈴，所以盡量縮短二者之間的布線距離。降壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中，即使將Cbypass放置在離IC最近的位置，CIN的地上也存在著數(shù)百M(fèi)Hz的高頻。因此建議CIN的接地和輸出電容器Cout的接地要距離1cm～2cm進(jìn)行布局。
圖6：CBYPASS放在與IC相同面的最近處時(shí)
CIN放置在距離2cm處也不會(huì)有太大的問(wèn)題。
圖7：將CIN放在IC的背面紋波電壓可能會(huì)增大
圖8：不理想的輸入電容布局受過(guò)孔和電感的影響噪聲會(huì)增加
04 續(xù)流二極管的布局
二極管D1要放置在與IC同一層且最靠近IC引腳的位置，圖9是Cbypass、CIN及二極管D1的理想布局。如果IC引腳到二極管的距離過(guò)長(zhǎng)，由布線的寄生電感引起的噪音毛刺會(huì)疊加到輸出上。續(xù)流二極管要使用最短且較寬的布線，直接連接到IC的開(kāi)關(guān)引腳和GND引腳。如果借助過(guò)孔和底層連接，受過(guò)孔寄生電感的影響，毛刺噪聲將增加，因此續(xù)流二極管的布線絕對(duì)不能借助過(guò)孔。
圖9：理想的續(xù)流二極管布局
圖10還展示了其他不合理的布局，續(xù)流二極管與IC的開(kāi)關(guān)引腳及GND引腳距離較遠(yuǎn)，這會(huì)導(dǎo)致布線上的寄生電感增加從而導(dǎo)致噪音毛刺變大。為了改善布局不當(dāng)產(chǎn)生的毛刺噪聲，有時(shí)可能會(huì)追加RC緩沖電路作為應(yīng)急處理。
圖10：不理想的續(xù)流二極管布局
如圖11所示緩沖電路需要放置在IC的開(kāi)關(guān)引腳和GND引腳的近處。即使放置在二極管的兩端，也不能吸收由于布線的寄生電感產(chǎn)生的毛刺噪聲（圖12）。
圖11：理想的緩沖電路布局
圖12：不理想的緩沖電路布局
05 熱焊盤
PCB的銅箔雖然有助于散熱，但因?yàn)楹穸炔粔?，超過(guò)一定面積就無(wú)法得到與面積相當(dāng)?shù)纳嵝Ч?。利用基板散熱是通過(guò)基板的板材實(shí)現(xiàn)的，使用散熱過(guò)孔，能夠有效地將熱傳遞到基板的另一面并大幅降低熱阻。
對(duì)于芯片底部外露散熱焊盤的封裝，散熱焊盤是地電位，即使布了很寬的銅箔走線也不會(huì)增加電磁干擾。為了提高散熱過(guò)孔的導(dǎo)熱率，建議采用可電鍍填充的內(nèi)徑0.3mm左右的小孔徑通孔陣列。如果孔徑過(guò)大，在回流焊處理工序中容易出現(xiàn)爬錫的現(xiàn)象，建議散熱過(guò)孔的間距為1.2mm左右，放置在封裝散熱焊盤的正下方。如果僅靠散熱焊盤正下方的面積不足以散熱，還可以在IC的周圍盡量靠近IC的地方放置散熱過(guò)孔。
