一、简介
DC-DC我们这里主要指的是升压或者降压的变化,也就是我们所说的Buck(降压) 和Boost (升压)电路。很多DCDC芯片的手册都有对应的PCB Layout设计要求,有些还会提供一些Layout示意图,都是大同小异的。因本次项目主要是用到Buck电路,下面针对buck电路的大致
1、输入电容器和二极管在与IC相同的面,尽可能在IC最近处。
2、电感靠近芯片的SW,输出电容靠近电感放置。
3、反馈回路远离电感,SW和二极管等噪声源。
二、分析原理图
本次我们使用TI的一颗电源芯片举例说明,首先看下官方的简化原理图,这个主要包含下面几个部分
2.1 输入输出电容
滤波,不过多讲解
2.2 电感
1.稳定输出电压
有些电子元器件需要特殊的电压才能正常工作,但由于电网的电压波动比较大,因此需要将其降压或升压。此时,DC-DC电路使用电感来维持电路中电流的平稳。当电感通过电流时,会产生一个磁场。当输入电压发生变化时,由于磁场的作用,电感能够保持输出电压稳定,从而保证电子元器件的正常工作。
2.滤波
在DC-DC电路中,电容负责滤波,而电感则负责过滤高频噪声。当输入电压中出现高频噪声时,电感通过电流时会产生一个反向电动势,从而减少高频噪声。
3.功率变换
。。。
2.3 二极管
二极管基本作用就不再赘述了,使用时注意封装正反,导通压降,最大导通电流,反向耐压就行。下面主要了解二极管在DC-DC开关电源电路中的作用。
Buck电路中二极管提供了一个续流回路,起到续流的作用
Boost中二极管作用:单向导电,防止回流,减少不必要的损耗
1.一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管来作为“续流二极管”。
2.D16选择需注意负载最大电流,留好余量。如负载3A,就不要选用SS34,可采用SS54/SS84等
2.4 反馈电阻
电压反馈模式的反馈点都在最远端,所有DCDC的外部FB管脚都是电压反馈输入,一定要从最远的负载端引线。负反馈的原理很简单,不再解释。本次的buck电路主要是降压使用的根据数据手册给出的计算方式,我们得知我们需要的电压和上面原理图的R1、R2有关具体公式如下
由于电源纹波过大导致系统的不稳定,只需要改善DC-DC电源的FB电阻大小就可以,因为对于FB管脚的阻容网络与环路稳定性相关,不同IC的环路阻容网络亦不相同,一般来说电阻较大更有利于环路稳定,建议参照DATASHEET,根据参考多份规格书及设计经验,推荐值为:50KΩ≤R1+R2≤500KΩ,我个人一般选择反馈电阻值之和在100KΩ左右。
三、分析PCB的绘制(layout)
DCDC的Layout终极奥义——心中有环
上面是我看到的一句话,我觉得很有道理,在这个 layout 中,控制好环路基本上电路就不会很大的问题。
以BUCK为例,BUCK电路存在两个状态,上管导通和下管(或者是二极管)导通,因此存在两个大的电流环路。
知道这两个环路有什么用呢?
我们要让这两个环路的面积越小越好,因为每一个电流环都可以看成是一个环路天线,会产生辐射,会引起EMI问题,也会干扰板上其它的电路,而辐射的大小与环路面积呈正比。
电流环所生成的高频磁场会在离开环路大约 0.16λ 以后逐渐转换为电磁场,由此形成的场强大约为:
可以看到,辐射的大小与环路的面积,频率的平方,电流的大小呈正比。
那我们是不是让这两个环路面积最小就可以了呢?
确实是的,不过我认为了解这点还不够,突出不了重点。
从拓扑图可以看出,这两个环路有公共的部分,一个环路包含另外一个环路,这导致那个大的环路的电流各个器件节点可能不一样,所以不好用那个公式计算。
所以,我们需要变通下,怎么变通呢?
辐射产生的原因,就是因为电流产生了磁场,电流是变化的,所以磁场也是变化的。电流环围绕的面积里面的磁通量会随电流动态变化而变化,磁场生电场,电场生磁场形成了电磁波。
我们把那个大的电流环拆解为2个部分,如下图:
整个大的环可以看成由输入环路和输出环路叠加。
可能有点难以理解,因为输入环路根本就不是个实际的电流回路,它是本身存在的两个电流环路的差值。
这其实只是个等效的方法而已,我们的目标是要知道总的大的回路里面的磁通量变化情况,这样等效之后就可以求了,我们可以分别求得输入环路和输出环路的磁通量情况。
输入环路的等效电流就是输入电容Cin的电流
输出环路的电路等效电流就是电感的电流
它们都是只看交流,直流分量不管,直流的频率看成是0Hz,不会辐射电磁波。
我们只需要弄清两个重点:
BUCK的输入环路非常非常重要,环路面积一定一定要小。
另外一点需要注意,是环路面积小,不是走线短,这两者还是有区别的。有时走线短并不一定环路就小,我们的目标是环路的面积,而不是长度。
我们布局走线尽量走成扁的那种形状。
显然,这个芯片的开关管在芯片内部,所以输入环路就是芯片的IN管脚,与GND管脚,以及输入滤波电容形成的环路,那么除了芯片之外,器件就只有输入滤波电容了。
从这个PCB上看,我们看不到任何的特征,因为我们还没有对dcdc电路的分析。但是我们可以发现满足我们开头说的几点输入电容和输出电容离芯片较近电感离芯片较近,二极管以及电感离反馈电阻很远。
四、总结
1、输入电容器和二极管在与IC相同的面,尽可能在IC最近处。
2、电感靠近芯片的SW,输出电容靠近电感放置。
3、反馈回路远离电感,SW和二极管等噪声源。
4、在SW以及电感和周围不要布置信号线,这里噪声较大。
5、布线环的面积一定要小,Buck 电路中输入》输入, boost 电路中输出》输入。
6、反馈电阻的布线要单独的布线,不要和其他的电源同一条线。
7、反馈电阻的取值要合理100K<R1+R2<500K。
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