“噪聲問(wèn)題！”——這是每位電路板設計師都會(huì )聽(tīng)到的四個(gè)字。為了解決噪聲問(wèn)題，往往要花費數小時(shí)的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗室測試，以便揪出元兇，但最終卻發(fā)現，噪聲是由開(kāi)關(guān)電源的布局不當而引起的。解決此類(lèi)問(wèn)題可能需要設計新的布局，導致產(chǎn)品延期和開(kāi)發(fā)成本增加。
本文將提供有關(guān)印刷電路板(PCB)布局布線(xiàn)的指南，以幫助設計師避免此類(lèi)噪聲問(wèn)題。作為例子的開(kāi)關(guān)調節器布局采用雙通道同步開(kāi)關(guān)控制器 ADP1850，第一步是確定調節器的電流路徑。然后，電流路徑?jīng)Q定了器件在該低噪聲布局布線(xiàn)設計中的位置。
PCB布局布線(xiàn)指南
第一步：確定電流路徑
在開(kāi)關(guān)轉換器設計中，高電流路徑和低電流路徑彼此非�？拷�。交流(AC)路徑攜帶有尖峰和噪聲，高直流(DC)路徑會(huì )產(chǎn)生相當大的壓降，低電流路徑往往對噪聲很敏感。適當PCB布局布線(xiàn)的關(guān)鍵在于確定關(guān)鍵路徑，然后安排器件，并提供足夠的銅面積以免高電流破壞低電流。性能不佳的表現是接地反彈和噪聲注入IC及系統的其余部分。
圖1所示為一個(gè)同步降壓調節器設計，它包括一個(gè)開(kāi)關(guān)控制器和以下外部電源器件：高端開(kāi)關(guān)、低端開(kāi)關(guān)、電感、輸入電容、輸出電容和旁路電容。圖1中的箭頭表示高開(kāi)關(guān)電流流向。必須小心放置這些電源器件，避免產(chǎn)生不良的寄生電容和電感，導致過(guò)大噪聲、過(guò)沖、響鈴振蕩和接地反彈。
圖1. 典型開(kāi)關(guān)調節器(顯示交流和直流電流路徑)
諸如DH、DL、BST和SW之類(lèi)的開(kāi)關(guān)電流路徑離開(kāi)控制器后需妥善安排，避免產(chǎn)生過(guò)大寄生電感。這些線(xiàn)路承載的高δI/δt交流開(kāi)關(guān)脈沖電流可能達到3 A以上并持續數納秒。高電流環(huán)路必須很小，以盡可能降低輸出響鈴振蕩，并且避免拾取額外的噪聲。
低值、低幅度信號路徑，如補償和反饋器件等，對噪聲很敏感。應讓這些路徑遠離開(kāi)關(guān)節點(diǎn)和電源器件，以免注入干擾噪聲。
第二步：布局物理規劃
PCB物理規劃(floor plan)非常重要，必須使電流環(huán)路面積最小，并且合理安排電源器件，使得電流順暢流動(dòng)，避免尖角和窄小的路徑。這將有助于減小寄生電容和電感，從而消除接地反彈。
圖2所示為采用開(kāi)關(guān)控制器ADP1850的雙路輸出降壓轉換器的PCB布局。請注意，電源器件的布局將電流環(huán)路面積和寄生電感降至最小。虛線(xiàn)表示高電流路徑。同步和異步控制器均可以使用這一物理規劃技術(shù)。在異步控制器設計中，肖特基二極管取代低端開(kāi)關(guān)。
圖2. 采用ADP1850控制器的雙路輸出降壓轉換器的PCB布局
第三步：電源器件——MOSFET和電容(輸入、旁路和輸出)
頂部和底部電源開(kāi)關(guān)處的電流波形是一個(gè)具有非常高δI/δt的脈沖。因此，連接各開(kāi)關(guān)的路徑應盡可能短，以盡量降低控制器拾取的噪聲和電感環(huán)路傳輸的噪聲。在PCB一側上使用一對DPAK或SO-8封裝的FET時(shí)，最好沿相反方向旋轉這兩個(gè)FET，使得開(kāi)關(guān)節點(diǎn)位于該對FET的一側，并利用合適的陶瓷旁路電容將高端漏電流旁路到低端源。務(wù)必將旁路電容盡可能靠近MOSFET放置(參見(jiàn)圖2)，以盡量減小穿過(guò)FET和電容的環(huán)路周?chē)碾姼小?/font>
輸入旁路電容和輸入大電容的放置對于控制接地反彈至關(guān)重要。輸出濾波器電容的負端連接應盡可能靠近低端 MOSFET的源，這有助于減小引起接地反彈的環(huán)路電感。圖2中的Cb1和Cb2是陶瓷旁路電容，這些電容的推薦值范圍是1 μF至22 μF。對于高電流應用，應額外并聯(lián)一個(gè)較大值的濾波器電容，如圖2的CIN所示。
散熱考慮和接地層
在重載條件下，功率MOSFET、電感和大電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)會(huì )產(chǎn)生大量的熱。為了有效散熱，圖2的示例在這些電源器件下面放置了大面積的銅。
多層PCB的散熱效果好于2層PCB。為了提高散熱和導電性能，應在標準1盎司銅層上使用2盎司厚度的銅。多個(gè) PGND層通過(guò)過(guò)孔連在一起也會(huì )有幫助。圖3顯示一個(gè)4層 PCB設計的頂層、第三層和第四層上均分布有PGND層。
圖3. 截面圖：連接PGND層以改善散熱
這種多接地層方法能夠隔離對噪聲敏感的信號。如圖2所 示，補償器件、軟啟動(dòng)電容、偏置輸入旁路電容和輸出反饋分壓器電阻的負端全都連接到AGND層。請勿直接將任何高電流或高δI/δt路徑連接到隔離AGND層。AGND是一個(gè)安靜的接地層，其中沒(méi)有大電流流過(guò)。
所有電源器件(如低端開(kāi)關(guān)、旁路電容、輸入和輸出電容等)的負端連接到PGND層，該層承載高電流。
GND層內的壓降可能相當大，以至于影響輸出精度。通過(guò)一條寬走線(xiàn)將AGND層連接到輸出電容的負端(參見(jiàn)圖4)，可以顯著(zhù)改善輸出精度和負載調節。
圖4. AGND層到PGND層的連接
AGND層一路擴展到輸出電容，AGND層和PGND層在輸出電容的負端連接到過(guò)孔。
圖2顯示了另一種連接AGND和PGND層的技術(shù)，AGND層通過(guò)輸出大電容負端附近的過(guò)孔連接到PGND層。圖3顯示了PCB上某個(gè)位置的截面，AGND層和PGND層通過(guò)輸出大電容負端附近的過(guò)孔相連。
電流檢測路徑
為了避免干擾噪聲引起精度下降，電流模式開(kāi)關(guān)調節器的電流檢測路徑布局必須妥當。雙通道應用尤其要更加重視，消除任何通道間串擾。
雙通道降壓控制器ADP1850將低端MOSFET的導通電阻RDS(ON)用作控制環(huán)路架構的一部分。此架構在SWx與 PGNDx引腳之間檢測流經(jīng)低端MOSFET的電流。一個(gè)通道中的地電流噪聲可能會(huì )耦合到相鄰通道中。因此，務(wù)必使 SWx和PGNDx走線(xiàn)盡可能短，并將其放在靠近MOSFET的地方，以便精確檢測電流。到SWx和PGNDx節點(diǎn)的連接務(wù)必采用開(kāi)爾文檢測技術(shù)，如圖2和圖5所示。注意，相應的 PGNDx走線(xiàn)連接到低端MOSFET的源。不要隨意將PGND 層連接到PGNDx引腳。
圖5. 兩個(gè)通道的接地技術(shù)
相比之下，對于A(yíng)DP1829等雙通道電壓模式控制器，PGND1和PGND2引腳則是直接通過(guò)過(guò)孔連接到PGND層。
反饋和限流檢測路徑
反饋(FB)和限流(ILIM)引腳是低信號電平輸入，因此，它們對容性和感性噪聲干擾敏感。FB和ILIM走線(xiàn)應避免靠近高δI/δt走線(xiàn)。注意不要讓走線(xiàn)形成環(huán)路，導致不良電感增加。在ILIM和PGND引腳之間增加一個(gè)小MLCC去耦電容 (如22 pF)，有助于對噪聲進(jìn)行進(jìn)一步濾波。
開(kāi)關(guān)節點(diǎn)
在開(kāi)關(guān)調節器電路中，開(kāi)關(guān)(SW)節點(diǎn)是噪聲最高的地方，因為它承載著(zhù)很大的交流和直流電壓/電流。此SW節點(diǎn)需要較大面積的銅來(lái)盡可能降低阻性壓降。將MOSFET和電感彼此靠近放在銅層上，可以使串聯(lián)電阻和電感最小。
對電磁干擾、開(kāi)關(guān)節點(diǎn)噪聲和響鈴振蕩更敏感的應用可以使用一個(gè)小緩沖器。緩沖器由電阻和電容串聯(lián)而成(參見(jiàn)圖 6中的RSNUB和CSNUB)，放在SW節點(diǎn)與PGND層之間，可以降 低SW節點(diǎn)上的響鈴振蕩和電磁干擾。注意，增加緩沖器可能會(huì )使整體效率略微下降0.2%到0.4%。
圖6. 緩沖器和柵極電阻電阻
柵極驅動(dòng)器路徑
柵極驅動(dòng)走線(xiàn)(DH和DL)也要處理高δI/δt，往往會(huì )產(chǎn)生響鈴振蕩和過(guò)沖。這些走線(xiàn)應盡可能短。最好直接布線(xiàn)，避免使用饋通過(guò)孔。如果必須使用過(guò)孔，則每條走線(xiàn)應使用兩個(gè)過(guò)孔，以降低峰值電流密度和寄生電感。
在DH或DL引腳上串聯(lián)一個(gè)小電阻(約2 Ω至4 Ω)可以減慢柵極驅動(dòng)，從而也能降低柵極噪聲和過(guò)沖。另外，BST與SW 引腳之間也可以連接一個(gè)電阻(參見(jiàn)圖6)。在布局期間用0 Ω柵極電阻保留空間，可以提高日后進(jìn)行評估的靈活性。增加的柵極電阻會(huì )延長(cháng)柵極電荷上升和下降時(shí)間，導致 MOSFET的開(kāi)關(guān)功率損耗提高。
總結
了解電流路徑、其敏感性以及適當的器件放置，是消除 PCB布局設計噪聲問(wèn)題的關(guān)鍵。ADI公司的所有電源器件評估板都采用上述布局布線(xiàn)指導原則來(lái)實(shí)現最佳性能。評估板文件UG-204和UG-205詳細說(shuō)明了ADP1850相關(guān)的布局布線(xiàn)情況。
注意，所有開(kāi)關(guān)電源都具有相同的元件和相似的電流路徑敏感性。因此，以針對電流模式降壓調節器的 ADP1850為 例說(shuō)明的指導原則同樣適用于電壓模式和/或升壓開(kāi)關(guān)調節器的布局布線(xiàn)。 |
