BUCK变换器的PCB布局及设计

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2022-03-18 00:55:34 2

1、BUCK变换器关键回路和关键节点

不管是什么类型的变换器，PCB布局设计的关键就是要找到电路系统的关键回路和关键节点，那么什么是电路系统的关键回路和关键节点？通常，电流变化率di/dt大的环路以及电压变化率dV/dt大的节点，就是关键回路和关键节点，在PCB布局设计的时候，要优先考虑和布局。

BUCK变换器上管开通以及关断时，各环路的电流及波形如图1所示。

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（a）上管开通的电流回路

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（b）上管关断的电流回路

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（c）L1和L2环路的电流波形

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（d）开关节点SW工作电压

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（e）BUCK的工作电流环路

图1：BUCK的工作电流环路及波形

如果把L1称为输入回路，L2称为输出回路；下管的S源极到输入电容的地，称为输入地，下管的S源极到输出入电容的地，称为输出地，可以发现：

（1）L1回路的电流、包括输入地，都是脉冲的电流波形，电流波形的前沿和后沿，具有非常大的电流变化率di/dt。

（2）L2回路的电流、包括输出地，相当于直流电流上面，叠加了峰峰值比较小的交流三角波，电流波形的前沿和后沿，具有较小的电流变化率di/dt。

因此，具有非常大的电流变化率di/dt的输入回路，也就是L1回路，包括输入地，是强磁场发射的干扰源。

如果查看电压的波形，输入电压、输出电压及地回路，都是稳定的电压，而开关节点SW的电压，在上管开通和关断的过程中，产生非常大的电压变化率dV/dt，是强电场发射的干扰源。

2、BUCK变换器PCB基本的设计和布局要求

根据BUCK变换器的工作原理、各个回路的电流特性以及开关节点的电压特性，就很容易的得到BUCK变换器PCB布局的基本原则：

（1）输入回路L1，包括输入地，回路要尽可能的短，也就是输入电容CIN的正端尽可能靠近上管的漏极D、输入电容CIN的地端尽可能靠近下管的源极S，回路的布线要尽可能的粗，从而减小环路的寄生电感，减小磁场干扰。

必要的时候，在上管的漏极D和下管的源极S之间最近的距离，放置一个小尺寸的去耦陶瓷电容。

输入回路尽可能短、布线粗，可以减小杂散电阻，减小其导通损耗，有利于散热。

（2）输出回路L2，包括输出地，磁场干扰不大，但是，输出电流通常比较大，要尽可能减小环路，布线尽可能的粗，减小杂散电阻，减小其导通损耗，也有利于散热，可以提高系统的效率。在一定的程度上，也可以减小磁场干扰。

（3）开关节点SW的面积要尽可能的小，从而减小节点的寄生电容，减小电场干扰。但是，这个节点要铺设铜皮，加强功率MOSFET的散热，因此，要在散热和EMI(电场发射干扰)的设计之间取得平衡，必要的时候，需要加吸收电路，减小电压变化率。

其他的注意事项还有：

（4）所有的反馈信号以及模拟小信号，要远离上面干扰大的回路和节点，并尽可能用较细的布线。控制IC或变换器的下面不要流过开关电流。电流取样信号要采用开尔文Kevin的连接方式，电流取样信号的RC滤波网络，要尽可能靠近IC的管脚。

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图2：电流取样信号

（5）输入和输出电容的地，通过多个过孔连接到底层或内层的地平面，如果器件底部有电气特性为地的铜皮，也可以通过多个过孔连接到底层或内层的地平面，加强散热。

（6）DC电源和DC地，相当于交流地，可以屏蔽干扰信号，因此尽可能不要做分割。如果分割不可避免，尽可能减小信号线的数量和长度，小信号尽可能和大信号平面用交流地进行隔离。

（7）功率MOSFET的栅极Gate驱动环路要尽可能短，并使用平行走线。功率MOSFET的源极D和漏极S，尽可能用铜皮布线，如图3所示。

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(a) 好的布线 (b) 不好布线

图3：功率MOSFET的布线

（8）2层板的电源系统，顶层为元件和功率回路层，底层为小信号和地平面层。4层或6层板，可以采用下面的方案。

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表1：4层板各层分配

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表2：6层板各层分配

3、BUCK变换器PCB设计布局实例

3.1 分立方案

上管、下管采用分立功率MOSFET，上管、下管常用的排布有二种布局：

（1）上管、下管一个水平，一个垂直，成90度，如图4示；

（2）上管、下管水平排列，如图5所示。

基本的原则是：先布局主功率回路，特别是输入电容、功率MOSFET回路，然后布局电感和输出电容回路，考虑功率地、小信号地的分区；最后，在小信号地一侧，布局相关的信号线。

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(a) 优化布局

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(b) 较差布局

图4：垂直排列分立器件BUCK布局

图4中的二种布局，图4（a）的输入环路以及输入地，比图4（b）要小很多，因此，图4（a）布局更优化。

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(a) 顶层布局

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(b) 高频电容

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图5：水平排列分立器件BUCK布局

图5的布局中，Cin距离较远，输入环路以及输入地比较大，但是这种布局适合多管并联，可以通过在PCB背面加高频滤波电容，减小BUCK电路的电流环路。

3.2 集成方案

集成方案是指集成上管和下管的BUCK变换器IC，下面这些设计来源于一些厂家器件数据表推荐的布局，以及一些客户工程师实际的设计。

基本的原则和上面相同：先布局主功率回路，特别是输入电容、IC的地回路，然后布局输出电容，考虑功率地、小信号地的分区；最后，在小信号地一侧，布局相关的信号线。

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(a) 布局1

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(b) 布局2

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图6：SOT23几种PCB布局

按图4的分析方法，分别画出图6中上管开通、关断的电流路径，可以发现：

（1）图6(a)的电流路径要穿过IC底部，回到下面输入电容的地，电流路径较长，功率地（IC的GND管脚左上角区域）、小信号地（IC的GND管脚右边区域）也做到严格分区，优点是：开关节点SW在顶层直接连接到电感。

（2）图6(b)的电流路径最短，功率地（IC的GND管脚左上角区域PGND）、小信号地（IC的GND管脚右边区域SGND）严格分区，如图7所示，缺点是：开关节点SW要通过过孔，连接到电感。

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图7：SOT23布局2电流路径

（3）图6(c )中，IC右边管脚附近元件、连接到BOOT管脚的一个电阻和一个电容，让输出电容的地，不能直接回到IC的GND管脚，输出电容的地和IC的GND管脚的连接有二个回路：一个是通过IC底部的过孔、输出电容的地附近过孔，和底层的地平面，形成连接回路；另一个是输出电容的地，通过顶层铜皮，从IC下方绕回到IC的GND管脚以及输入电容的地。

这种布局设计电流路径最长，功率地、小信号地没有分区，开关节点SW要通过过孔，连接到电感，因此，布局设计比较差。

SOT23器件底部有电气特性为地的铜皮，在PCB对应的焊盘上，可以布设多个过孔，连接到底层或内层的地平面，加强散热，如图8所示，在许可的条件下，尽可能多布设过孔，过孔直径要选择合适，保证焊接后，既不漏锡，锡也要填满过孔。

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图8：下部有铜皮SOT23 PCB布局

图9列出了SO8封装的几种PCB设计布局，有兴趣的可以按照上面的方法，分析一下它们的优缺点。

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(a) 布局1

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(b) 布局2

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