DC-DC轉(zhuǎn)換器是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的極好來源。其EMI頻譜從開關(guān)頻率開始，通常延伸至100MHz以上。為了盡量減少電容耦合和磁耦合，必須在印刷電路板（PCB）布局中小心。必須評(píng)估電路的寄生電容和寄生電感，以便在設(shè)計(jì)階段的早期進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋?quán)衡。

多年來，集成 DC-DC 電源控制器的反復(fù)推出為我們提供了更高的性能水平。這些IC通過消除電源設(shè)計(jì)任務(wù)來減輕系統(tǒng)工程師的負(fù)擔(dān)，但這種簡(jiǎn)化導(dǎo)致了知識(shí)的損失。因此，開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)提醒您小心。以下討論介紹了在為非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)電路板布局時(shí)避免意外的規(guī)則。

優(yōu)化這種布局的第一條規(guī)則是隔離轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的極好來源。其EMI頻譜從開關(guān)頻率開始，通常延伸至100MHz以上。為了盡量減少電容耦合和“磁場(chǎng)到環(huán)路”耦合，應(yīng)將轉(zhuǎn)換器放置在遠(yuǎn)離其他電路的位置，尤其是低電平模擬電路。

隔離轉(zhuǎn)換器并不總是那么容易。一些電路板在轉(zhuǎn)換器的一側(cè)接受輸入電壓，在另一側(cè)分配輸出電壓。例如，VME卡或電信卡包括電流高達(dá)20A的非常復(fù)雜的路由。單個(gè)連接器引入輸入電壓，并將多個(gè)輸出電壓分配到背板。因此，將轉(zhuǎn)換器放置在此連接器附近以減少電阻降的誘惑力很強(qiáng)。然而，該區(qū)域密集的接口驅(qū)動(dòng)器、背板總線等，存在噪聲耦合的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。在某些情況下可以添加電源連接器，但該解決方案需要額外的電路板面積和成本。

銅走線中的電阻是最受限制的因素。對(duì)于給定長(zhǎng)度和厚度的跡線，此電阻為

R = ρ × （升/秒）

其中 l 是以米為單位的走線長(zhǎng)度，S 是以平方米為單位的走線面積，ρ（銅的電阻率）是 1.7x10-8Ω - m 在 20°C 或 2.1 x 10-8Ω - 70°C 時(shí)的米。 例如，0.5cm寬、35μm厚的銅跡線在20°C時(shí)的電阻為1mΩ/cm。該值可能看起來可以忽略不計(jì)，但如果通過兩個(gè)連接器和一個(gè)背板將2.5V/10A配電，則會(huì)引起注意。

在某些電路板上，走線厚度包括錫鉛層。該層幾乎可以使等效電阻翻倍：

鉛電阻率 = 2.07 x 10-7Ω - 米 20°C
時(shí)錫電阻率 = 1.14 x 10-7Ω - 米 在 20°C 時(shí)

在精度和走線損耗之間進(jìn)行權(quán)衡，您可以將轉(zhuǎn)換器從連接器移開。您可以通過執(zhí)行遠(yuǎn)程 V 來限制電阻降的影響外在連接器附近測(cè)量，但要注意電容耦合！要將大電流限制在定義的區(qū)域，請(qǐng)將所有電源線通過連接器一端的引腳布線。

場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器

隨著開關(guān)頻率的增加，開關(guān)時(shí)間越來越短：10kHz轉(zhuǎn)換器通常為500ns。在該頻率下，即使是最短的走線也具有很大的阻抗。同樣重要的是要注意，峰值柵極電流可以在極短的時(shí)間內(nèi)上升到幾安培。因此，MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正確路由始于對(duì)轉(zhuǎn)換器框圖的分析。

例如，考慮筆記本電腦的同步降壓控制器（圖 1）。MOSFET 由能量從諧振電容器（C6 和 C7）通過驅(qū)動(dòng)器輸出的幾歐姆傳輸?shù)綎艠O來驅(qū)動(dòng)。請(qǐng)注意，高端n溝道MOSFET （Q1）的柵極驅(qū)動(dòng)是浮動(dòng)的。n溝道驅(qū)動(dòng)器的工作方式類似于電荷泵！

圖 1a.MAX1710同步降壓控制器的工作原理由應(yīng)用電路（a）和內(nèi)部框圖（b）描述。

圖 1b.MAX1710同步降壓控制器的工作原理由應(yīng)用電路（a）和內(nèi)部框圖（b）描述。

圖2突出顯示了開啟期間的電流路徑。任何串聯(lián)電感都可能導(dǎo)致災(zāi)難。在最好的情況下，尖峰較高，但只會(huì)增加開關(guān)損耗。在最壞的情況下，兩個(gè)MOSFET可能會(huì)因交叉導(dǎo)通（同時(shí)導(dǎo)通）而爆炸。因此，最佳布線意味著以下各項(xiàng)之間的走線非常短且很寬：

C6 和 Vdd
C6 和 Q2（S）
C7 和 BST，以及 C7 和 LX
Q1（G）和DH
Q2（G） 和 DL
Q1（S） 和 LX
Q2（S） 和 PGND

請(qǐng)記住，1cm走線的寄生電感約為10nH。

仔細(xì)觀察 C6，您可以看到它提供 Q1 和 Q2，但方式不同。它用作Q1的濾波電容和Q2的儲(chǔ)極電容。因?yàn)槲覀儾荒芡瑫r(shí)將C6放置在高端和低邊驅(qū)動(dòng)器附近，所以我們將其放置在盡可能靠近V日嘎和PGND（峰值電流流動(dòng)的地方），以及C7附近（幾乎平均電流）。請(qǐng)注意，PGND、DL 和 V日嘎別針是并排的，而不是偶然的！放置Q2和C6以最小化PGND、C6（-）和Q2（S）之間的接地走線長(zhǎng)度。將此接地走線連接到 PGND 引腳附近的單個(gè)點(diǎn)的接地層。為避免共阻抗耦合，LX應(yīng)連接到Q1，PGND/C6（-）應(yīng)連接到Q2的源極。圖3突出顯示了關(guān)斷期間的電流路徑。

圖2.虛線表示柵極驅(qū)動(dòng)電路中Q1 （a） 和 Q2 （b） 的大電流。

圖3.虛線表示Q1 （a） 和 Q2 （b） 柵極放電（關(guān)斷）路徑中的大電流。

應(yīng)盡可能限制“通過”的數(shù)量。事實(shí)上，當(dāng)di/dt很高時(shí)，過孔添加的幾十個(gè)納米亨是令人尷尬的。因此，您應(yīng)該將所有電源組件放在組件層上，甚至是 SMD 組件。如果您別無選擇，請(qǐng)將多個(gè)過孔并聯(lián)。

我們必須記住，控制器對(duì)于手頭的應(yīng)用程序來說通常過大。例如，通常的做法是使用10A控制器來產(chǎn)生3A輸出。由于我們通常出于成本原因選擇最小尺寸的MOSFET，因此片內(nèi)驅(qū)動(dòng)器仍然尺寸過大，因此能夠?qū)崿F(xiàn)比所需更多的柵極驅(qū)動(dòng)。

由于前面的討論試圖避免減慢MOS柵極驅(qū)動(dòng)速度，因此將一個(gè)小電阻（10Ω至100Ω）與柵極驅(qū)動(dòng)串聯(lián)似乎自相矛盾。然而，過大和/或快速驅(qū)動(dòng)波形會(huì)產(chǎn)生更多的開關(guān)噪聲和RF干擾。在另一個(gè)極端，慢波形會(huì)在MOSFET和二極管（如果有的話）中產(chǎn)生更多的開關(guān)損耗。一個(gè)好的折衷方案是通過盡可能減慢波形斜率來降低EMI，同時(shí)保持可接受的效率水平。（圖4b柵極驅(qū)動(dòng)中的元件允許您分別調(diào)整上升和下降時(shí)間。幸運(yùn)的是，大型驅(qū)動(dòng)程序允許最后一點(diǎn)優(yōu)化。

路由功率級(jí)

圖4顯示了許多電源轉(zhuǎn)換器共有的兩個(gè)大電流環(huán)路。為了響應(yīng)開關(guān)引起的擾動(dòng)，這些環(huán)路支持高di/dt，并且（在某些節(jié)點(diǎn)上）還支持高dv/dt。識(shí)別這些循環(huán)有助于減少其影響。請(qǐng)注意，di/dt 在轉(zhuǎn)換器內(nèi)（在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處）很大，但在轉(zhuǎn)換器外部很小。實(shí)際上，輸入電容器之前和輸出電容器之后的電流達(dá)到很高的值，但它們幾乎是連續(xù)的。當(dāng)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)良好時(shí)，它們的交流分量為低電平。

圖4.這些簡(jiǎn)單的原理圖說明了升壓（a）和降壓（b）開關(guān)轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。

首先，盡量減少寄生電感。我們將考慮升壓轉(zhuǎn)換器，但推理可以轉(zhuǎn)換為降壓型。圖5顯示了導(dǎo)致最多問題的寄生電感類型。

圖5.當(dāng)主開關(guān)晶體管（T）關(guān)閉時(shí)，二極管電容放電如圖所示。

在不描述開關(guān)周期的 10 個(gè)相位的情況下，我們可以考慮當(dāng)電感電流被 MOSFET 短路時(shí)，MOSFET 關(guān)斷。二極管的反向電容通過環(huán)路二極快地充電，二極管陽(yáng)極處的節(jié)點(diǎn)電壓Va（通常在Vout - Vd）接近0V。串行電感器 （LfT + LfD + LfC） 增加了放電時(shí)間，從而增加了 MOSFET 中的開關(guān)損耗。這些類型的電感也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

峰值電流受晶體管的限制，晶體管作為電流源工作（Vds 仍等于幾伏）。對(duì)于 2A MOSFET，該電流源可能為 10A！電流電平在很短的時(shí)間內(nèi)很大（幾個(gè)10ns）。請(qǐng)記住，改變通過電感器的電流會(huì)產(chǎn)生與電流變化成比例的電壓：

v = L × [di（t）/dt]

這個(gè)過渡階段是一個(gè)很好的尖峰發(fā)生器！我們?cè)俅瓮ㄟ^最小化走線長(zhǎng)度并在MOSFET、二極管和Cout周圍使用短而寬的走線來最小化寄生電感。現(xiàn)在，您可以看到如何通過控制柵極驅(qū)動(dòng)波形中的斜率來降低噪聲。

為了限制阻性壓降和過孔數(shù)量，功率級(jí)SMD元件應(yīng)放置在電路板的元件側(cè)，電源走線在其元件層上布線。如果可能，電源接地也應(yīng)在同一層布線。這種布置還有另一個(gè)好處：接地層的擾動(dòng)較小。要消除輻射場(chǎng)，請(qǐng)注意最小化功率電流環(huán)路的面積。

當(dāng)需要在元件層以外的層上布線電源走線時(shí)，請(qǐng)從電感或?yàn)V波電容器中選擇走線（即，Cout用于降壓轉(zhuǎn)換器，Cin用于升壓轉(zhuǎn)換器）。由于通過此類走線的電流幾乎是連續(xù)的，因此不會(huì)產(chǎn)生噪聲，只會(huì)產(chǎn)生電阻降。如果在元件層正下方的層上布線，寄生電感將更小。為避免公共阻抗耦合，應(yīng)將PGND、電源電路接地和一般接地層分開（圖6）。

圖6.這些細(xì)節(jié)說明了控制器電路中PGND與柵極控制走線的路由。

電容器和其他組件

密切注意DC-DC轉(zhuǎn)換器電路中電容端子的走線布線非常重要。大值低ESR電容器價(jià)格昂貴，不良布線會(huì)抵消其性能。另一方面，良好的布線可以將輸出噪聲從150mV降低到50mV！

紋波與電感值、電容ESR、開關(guān)頻率等直接相關(guān)，但HF噪聲（尖峰）取決于寄生元件和開關(guān)動(dòng)作。我們可以預(yù)測(cè)從1MHz到10MHz的尖峰頻率，具體取決于開關(guān)頻率。

在不良布線中（圖7a），與走線長(zhǎng)度相關(guān)的寄生電感會(huì)引起麻煩：L1會(huì)導(dǎo)致噪聲增加，L2限制了HF電容CoHF的衰減。解決方法（圖7b）是將輸入走線引入電容焊盤的一側(cè)，輸出走線在焊盤的另一側(cè)。

圖7.電容走線布線不當(dāng)會(huì)引入不需要的寄生電感。

現(xiàn)在，在放置和布線了最笨重的部件之后，我們將注意力轉(zhuǎn)向電感器。故意但不需要的耦合（圖 8a）允許電源環(huán)路中的電流污染控制器電源 （Vcc）。通過切換Lp1產(chǎn)生的高di/dt會(huì)導(dǎo)致Vcc過沖，很容易達(dá)到幾百毫伏。用

v（t） = L × [di（t）/dt]

L = 10nH， ΔI = 1A， Δt = 50ns， ΔV = 0.2V！

如前所述，第一個(gè)預(yù)防措施是分離電源走線并小心使用PGND。第二種預(yù)防措施是避免將走線連接到電源環(huán)路（見圖8b）。分配輸入電壓的走線應(yīng)在輸入電容和控制器的Vcc連接之前連接。輸出電壓在連接到HF輸出電容器后分配。

圖8.（b）所示的連接可防止不需要的共阻抗耦合（a）。

最后，一些雜項(xiàng)建議：PGND走線的不良布線會(huì)導(dǎo)致共阻抗耦合（PGND端子的一個(gè)原因是避免污染控制器的內(nèi)部接地節(jié)點(diǎn)）。將高阻抗走線（尤其是調(diào)節(jié)輸出電壓的輸出電阻分壓器）從支持高dV/dt的節(jié)點(diǎn)移開。這種耦合引起的電流會(huì)使控制器振蕩。

審核編輯：郭婷