非隔离式开关电源的PCB布局考虑(三)

高DV/DT开关区 图2和图4中，在VIN(或VOUT)与地之间的SW电压摆幅有高的dv/dt速率。这个结点上有丰富的高频噪声分量，是一个强大的EMI噪声源。为了尽量减小开关结点与其它噪声敏感走线之间的耦合电容，你可能会让SW铜箔面积尽可能小。但是，为了传导大的电感电流，并且为功率MOSFET管提供散热区，SW结点的PCB区域又不能够太小。一般建议在开关结点下布放一个接地铜箔区，提供额外的屏蔽。 如果设计中没有用于表面安装功率MOSFET与电感的散热器，则铜箔区必须有足够的散热面积。对于直流电压结点(如输入/输出电压与电源地)，合理的方法是让铜箔区尽可能大。 多过孔有助于进一步降低热应力。要确定高dv/dt开关结点的合适铜箔区面积，就要在尽量减小dv/dt相关噪声与提供良好的MOSFET散热能力两者间做一个设计平衡。 功率焊盘形式 注意功率元件的焊盘形式，如低ESR电容、MOSFET、二极管和电感。图8a(略)和8b(略)分别给出了不合理和合理的功率元件焊盘形式。 对于去耦电容，正负极过孔应尽量互相靠近，以减少PCB的ESL。这对低ESL电容尤其有效。小容值低ESR的电容通常较贵，不正确的焊盘形式及不良走线都会降低它们的性能，从而增加整体成本。通常情况下，合理的焊盘形式能降低PCB噪声，减小热阻，并最大限度降低走线阻抗以及大电流元件的压降。 大电流功率元件布局时有一个常见的误区，那就是不正确地采用了热风焊盘(thermal relief)，如图8a(略)所示。非必要情况下使用热风焊盘，会增加功率元件之间的互连阻抗，从而造成较大的功率损耗，降低小ESR电容的去耦效果。如果在布局时用过孔来传导大电流，要确保它们有充足的数量，以减少阻抗。此外，不要对这些过孔使用热风焊盘。 图9(略)是有多个板上电源的应用，这些电源共享相同的输入电压轨。当这些电源互相不同步时，就需要将输入电流走线隔离开来，以避免不同电源之间耦合公共阻抗噪声。每个电源拥有一个本地的输入去耦电容倒是不太关键。 对于一只PolyPhase单输出转换器，为每个相做一个对称布局有助于热应力的均衡。 布局设计实例 图10(略)是一个设计实例，它是一个3.5V~14V，最大输出1.2V/40A的双相同步降压转换器， 使用了LTC3855 PolyPhase电流模式步进降压控制器。在开始PCB布局前，一个好的习惯是在逻辑图上用不同颜色特别标示出大电流走线、高噪声的高dv/dt走线，以及敏感的小信号走线。这种图将有助于PCB设计者区分开各种走线。 图11(略)是这个1.2V/40A电源的功率元件层上的功率级布局例子。图中，QT是高侧控制MOSFET，QB是低侧同步FET。可选择增加QB的接地面积，以获得更多的输出电流。在功率元件层的下方，放了一个实心的电源地层。 控制电路布局 使控制电路远离高噪声的开关铜箔区。对降压转换器，好的办法是将控制电路置于靠近VOUT+端，而对升压转换器，控制电路则要靠近VIN+端，让功率走线承载连续电流。 如果空间允许，控制IC与功率MOSFET及电感(它们都是高噪声高热量元件)之间要有小的距离(0.5英寸~1英寸)。如果空间紧张，被迫将控制器置于靠近功率MOSFET与电感的位置，则要特别注意用地层或接地走线，将控制电路与功率元件隔离开来。 图12(略)是LTC3855电源的较好的隔离地方案，IC有外露的GND焊盘，应焊到PCB上，以尽量减少电气阻抗与热阻。几只关键去耦电容应紧挨着IC引脚。 控制电路应有一个不同于功率级地的独立信号(模拟)地。如果控制器IC上有独立的SGND(信号地)和PGND(功率地)引脚，则应分别布线。对于集成了MOSFET驱动器的控制IC，小信号部分的IC引脚应使用SGND。 信号地与功率地之间只需要一个连接点。合理方法是使信号地返回到功率地层的一个干净点。只在控制器IC下连接两种接地走线，就可以实现两种地。图12(略)给出了建议的LTC3855电源接地隔离法。在本例中，IC有一个外露的接地焊盘。此焊盘应焊到PCB上，以尽量减少电气阻抗与热阻。应在接地焊盘区放置多个过孔。 控制IC的去耦电容应靠近各自的引脚。为尽量减少连接阻抗，好的方法是将去耦电容直接接到引脚上，而不通过过孔。如图12(略)所示，应靠近置放去耦电容的LTC3855引脚是电流检测引脚Sense+/Sense-，补偿引脚ITH，信号地SGND，反馈分压器脚FB，IC VCC电压引脚INTVCC，以及功率地引脚PGND。