MOSFET在电源转换PCB设计中该如何布局?
发布时间:2020-02-14
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MOSFET在电源转换PCB设计中该如何布局?
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了解DC-DC降压转换器电路的最佳布局规范。在实现DC-DC降压转换器时,电路布局与设计同样重要。布局不良会严重降低设计效果。本文将介绍一些最佳布局实践。

良好电路布局的目标

这里有一些良好布局的目标要记住。

  • 控制辐射和感应噪声
  • 减少电路不同部分之间的干扰
  • 减少电路面积
  • 有效的热管理
  • 改善了电压调节和电路效率
  • 避免额外的“创可贴”电路,如缓冲器
  • 增强稳定性

注意:不要对这些关键路径使用自动布线 - 手动布线和设计。

功率转换器电路中的电流环路

功率转换器电路产生大电流,在不同的相位,在两个主回路中循环:关断状态和导通状态,具体取决于MOSFET开关的状态(见图1)。

 

这些循环的3D几何形状很重要。根据安培定律,在物理环路中运行的电流将形成与电流和环路面积成比例的磁场。然后,根据法拉第定律,该场可以与其他电路环路耦合,在较高频率处具有更多耦合,从而导致有害的串扰。

因此,一般的思维方式应该是最小化这些循环的封闭区域。一种直接的方法是使返回路径尽可能与出站路径共线。

想象一个环形天线压扁到一条垂直线 - 它将不再是一个天线。这就是我们将导线绞合在一起以消除耦合噪声的原因。

返回路径

注意,如果给定无限接地平面,返回电流自然倾向于直接集中在出站电流之下(见图2)。我们应该从大自然中汲取这种暗示,提供自然的回归路径; 否则,将引入一个循环并辐射。

电路板的期望结果将是出站和返回电流以有序的已知路径运行。

通常,电路具有多个接地平面:例如,模拟,数字和电源。虽然多年来传统观念已有所不同,但如果提供这些自然回路,我们就不需要划分地平面。实际上,如果计划外的返回电流必须绕过很长的路径,分区会使事情变得更糟。

除智能分区之外的自然电流路径可能是最佳解决方案。

最佳实践

当然,关键考虑因素是电源轨进入或源自电路板的位置。如果这些考虑因素在设计师的控制之下,那么应该选择那些以促进良好的布局。请注意,相同的环路原理也应该应用于MOSFET栅极驱动器,因为它也具有大的尖峰电流。

为了进一步控制辐射发射,“20H规则”规定,对于间距为H的层,我们要保留距离电路板边缘至少20H的所有迹线。通常需要使用电源过孔将电源路径推送到其他层以获得紧凑的布局 - 你只需像电源路径中的任何其他元件一样管理这些过孔的效果。电感,电阻和过孔总数都会影响路径性能。

敏感控制电路需要清洁接地。如果我们通过控制器共享的返回路径发送大的脉冲功率返回电流,将产生电压尖峰,这将扰乱控制器的接地,将噪声注入控制电路,这是非常不希望的。我们使用星形接地来避免这种情况(参见图3) - 保持返回路径不共享和分离。

在绕过IC的电源电压时,始终首先为高频元件提供接近优先级。避免过孔并直接连接到IC引脚。

考虑IC制造商的示例布局,如评估板,作为指导。但是,请记住,电路板可能具有与你的不同的堆叠和设计目标 - 例如,实现最佳热性能而不利于其他参数。

对于电源走线,必须设计宽度,长度和厚度以限制电压降和走线电感。在今天的低输出电压下,电压降比以往任何时候都重要。

我们需要引导我们的另一个主要规律是电容耦合 - 彼此接近的两个板(电路节点)将与板面积和它们之间的距离成比例地耦合,在更高频率和更高接收节点处具有更多耦合阻抗。

例如,通过将检测引脚连接到输出来实现电压反馈,并且该信号应该远离开关节点和电感器等噪声源。感测引脚节点是高阻抗的,因此更容易受到电容耦合的影响 - 保持它尽可能小并与噪声源隔离。干预DC平面也可以减少耦合。

具有高dv / dt瞬变的节点(如开关节点)需要保持较小且隔离,同时仍保持足够的电流容量,因此它们不会成为噪声源。

如果一个电源轨有多个负载点,则会有一个必要的感测点放置折衷 - 你可以优先考虑一个负载或集中放置。如果传感信号是差分的,那就很好,但它应该像传输线一样路由。在IC附近放置任何感应电路电阻。

板子应该有多少层?更多的层意味着更多的布线空间,更多的电源和接地层可以提供屏蔽,但也有更多的过孔和更多的成本。对于现代转换器IC,你应该至少有四层。此外,层数通常不受电源设计者的控制,由其他考虑因素决定。通常,你拥有的图层越少,获得有效布局所需的创意就越多。

散热考虑因素

布局也受热考虑因素的驱动,最明显的是IC和MOSFET的导热垫,大部分热量通过导热板传导到电路板然后辐射到空气中。需要考虑导热垫的尺寸和层数,过孔数,最大环境温度和可用气流。最终,MOSFET可能需要外部散热器。数据表至少有一个热量示例,你可以使用它来指导你的散热设计。

此外,请务必了解是否要电连接IC焊盘 - 数据表中并未总是指定。如果你有空间,一个很好的技巧是将焊盘延伸到顶层IC的边缘之外,为你提供一个加热它的位置,使IC更容易提升。

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