DC-DC (DC-to-DC Converter) 在单板设计 中,是数字电路 不可或缺的一部分。工作中遇到过因为 DC-DC 位置离模拟电路 太近,导致模块 干扰了音频 。将 DC-DC 位置放置在热敏感器件 背面,导致因为电感 发热损坏了塑料件。还有因为功率电感 靠近线缆 ,传导发射 一直超标 的问题。
那么如何才能做好一个开关电源 的布局?本文主要从以下 3 个方面考虑:
1. 电源模块 放置位置和叠层 设计
2. 功率器件 的布局
3. 控制信号 的走线
01、电源模块放置位置和叠层设计
在电源模块放置的位置和叠层设计是 DC-DC 设计的基础。
(1)电源模块放置位置
电源模块应尽量靠近负载 ,以减小输出阻抗 和线缆对外的辐射干扰 。

(2)PCB叠层设计

两种设计最主要差别是小信号层 的位置。如果将小信号层放在功率层 和 GND (Ground) 之间,小信号和功率器件之间会存在容性噪声耦合 。而在推荐的设计中,小信号层被 GND 层进行了屏蔽 。
02、功率器件的布局
功率器件面积最小化。功率器件回路中存在快速变化的 dv/dt (Voltage Change Rate) 和 di/dt (Current Change Rate),面积越大,变化的电场 和磁场 对外的辐射 越强。

同时,器件焊接后会在 PCB 板上形成寄生电感 ,走线越长,寄生电感越大。这些寄生电感在 di/dt 的作用下,会在 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 开通 和关断 的时候形成振铃 。振铃会增加器件的损耗 ,甚至是损耗功率 MOSFET。推荐布局如下:


功率器件增加连接点以最小化阻抗。
推荐的设计,能极大地降低 PCB 寄生电感和器件焊盘 与 PCB 铜箔 的阻抗,使得电压降 达到最小化。

多路电源 布局时,输入电流 走线需要分开,避免共地干扰 。

03、控制电路的布局
控制电路 布局主要有两点:
1. 信号地 和电源地 分离。
2. 控制器 的去耦电容 靠近器件管脚 放置。

驱动电路 面积应尽可能的小,驱动电路走线尽量短。这样做既可以降低阻抗,还能减小在栅极 引入的寄生参数 。整改过 EMC (Electromagnetic Compatibility) 问题的工程师应该知道,减小驱动线 的长度,不穿层,能极大改善 SW (Switch Node) 处的波形。

敏感信号 的采样电阻 应使用开尔文连接 的方式。如果其中一端是 GND,同样应以差分信号 的形式走线,以降低环路面积 和共模干扰 。

布局要求整理成布局要求如下:

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