DCDC开关电源Layout布局布线要点

    DCDC电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器,有降压(Buck)和升压(Boost)两种,其特点是可为专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列(FPGA)及其他数字或模拟负载提供供电。

    开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器(EMI)、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。开关电源的电路组成方框图如下:

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1、下载对应的DCDC芯片数据手册对以下内容进行预先解读

下载对应的芯片数据手册

预先了解DCDC的功率及转换电压范围?

对芯片的最大电流进行解读?

对DCDC的管脚定义进行了解?

是否为高发热量转换芯片?

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电源环路的分析-“心中有环”,“环”指的是有大电流流过的闭合回路。

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2、电源环路的分析-“心中有环”,“环”指的是有大电流流过的闭合回路。

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:

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辐射的大小与环路的面积,频率的平方,电流的大小呈正比。 


1.4 DCDC开关电源PCB布局的要求

1、滤波电容采用先大后小的原则进行排布(注意是Value值不是电容的体积大小),即先放置大电容再放置小电容,电源输入以及电源输出都是如此。(大电容滤波低频干扰,小电容滤波高频干扰),输出电容器尽量靠近电感器放置;

2、放置电容时,尽量不要放在不同层,不然会导致纹波与噪声干扰的增加,需要保持在同层设计;

3、电感等功率器件尽量放置在同一层,避免打孔换层(过孔会产生寄生电容与寄生电容加了过孔会增加这个环路的电感,导致发生LC振荡。直接的现象就是在SW处产生高振铃,这个高振铃意味着这个环路中,谐振频率的信号分量很强);

4、在摆放器件时,器件布局尽量紧凑,使电源路径尽量短,同时电感可使来自开关节点的辐射噪声最小化,重要程度仅次于输入电容,需要放置在IC的附近处,电感布线布线的铜箔面积不要过大,一般覆盖焊盘即可。

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4、打孔换层的位置须考虑滤波器件位置,布局时应该留有打孔空间(布线时输入应打孔在滤波器件之前,输出在滤波器件之后);

5、布局时注意环路面积环路面积,通过分析原理图的输入和输出回路来确定环路,面积越小辐射强度越小,EMI性能更好;并且在布局时要注意下主回路的布线空间,自己需要做一个预估

6、对于输出多路的开关电源尽量使相邻电感之间垂直放置(否则容易导致互感),大电感和大电容尽量布置在主器件面。

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7、注意mos管(续流二极管)的方向,作为续流时,MOS管(续流二极管)应该尽可能靠近IC管脚和电感,然后MOS管(续流二极管)的GND靠近输出的GND,让续流环路面积更小。

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续流二极管要放置在和IC同一层最靠近IC管脚的位置,如果IC引脚到二极管距离过长,由于布线的寄生电感会引起的噪声会叠加到输出上面,续流二极管不要换层打孔,过孔会产生寄生电感与寄生电容,从而产生电源噪声

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左图为不理想的续流二极管布局,IC管脚离二极管管脚距离较远,这将导致走线寄生电感与寄生电容增加

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8、除了大的电流回路,还有FB,及其他配置的电路这些是小信号电路,所以他们要尽量远离前面大的电流回路,远离电感等。

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布局采取就近原则布局,布局要紧凑,布局要满足生产间距要求,布局要均匀,布局对齐美观

1.5 DCDC开关电源PCB布线的要求

1、布线优先按照Datasheet内示意布置,特别注意地的处理,尽量保持单点接地,于IC下方回流至地,避免开关噪声沿地平面传播

2、对于1OZ铜厚,在常规情况下,20mil能承载1A左右电流大小;0.5OZ铜厚,40mil能承载1A左右电流大小,打孔和铺铜时保持裕量。

3、0.5mm过孔过载1A电流--经验值,过孔大小计过孔数量的评估,满足载流和压降的要求

4、电源输入/输出路径布线采用铺铜处理,铺铜宽度必须满足电源电流大小,输入/输出路径尽量少打孔换层

5、打孔换层的位置须考虑滤波器件位置,输入应打孔在滤波器件之前,输出在滤波器件之后。

6、铺铜处铜皮与焊盘连接使用十字连接,减少焊接不良现象。电流特别大可使用全连接处理,或对十字处进行铜皮补强,以满足通流能力。

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1、计算电流大小:一般原理图会进行标注,如果未标注可以询问硬件工程师或者看数据手册

假设3.3V输出的电流为6A,可按照下面方法计算输入电流。电源输入为12V输出为3.3V,能量守恒定律输入功率P(输入)=P(输出) P=UI

12V*I(输入)=3.3V*I(输出),由于已知电流输出为6A,可得电流输入为1.655A(理想情况)。

因为电源的转换效率不可能做到百分百转换,所以我们实际是需要考虑损耗,假设电源的转换效率为80%,则P(输入)=12v*I(输入)*80%=3.3v*6A可得输入电流大小约等于2.A

2、孔数量的选取:一般2个10/20mil的孔可以过1A电流,如果打10/20mil的孔,则电流输出6A电流打孔数量为12个

 3、线宽大小在外层和内层都是1oz铜厚的情况下表层20mil可以过1A电流内层需要40mil可            以过1A电流(虽然内外层铜厚都是1oz,但是外层表面还需要处理。例如电镀,所以表层的最终载流能力会比较强)

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EDA在线计算工具使用:https://www.pcbbar.com/forum-307-1.html

8、电源出来芯片后还需要通过地平面进行回流,所以地平面的宽度也需要满足电流要求;

9、电源如果需要换层进行输入或者输出,对应的过孔大小及数量是否满足载流要求;

10、除了大的电流回路,还有FB,补偿电路这些,是小信号电路,所以他们要尽量远离前面大的电流回路,远离电感,续流二极管等噪音源。

比如下面,就是左边比右边的好,反馈走线线宽10mil左右,反馈线需要从最后一个滤波器件后方进行取电。

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11、PCB的铜箔虽然有助于散热,但因为厚度不够,超过一定面积就无法得到与面积相当的散热效果。利用基板散热是通过基板的板材(底层扇热焊盘处进行开窗处理)实现的,使用散热过孔,能够有效地将热传递到基板的另一面并大幅降低热阻,若有需要还可在,增加扇热能力;

12、扇热焊盘处所的过孔间隙处所有层不能有信号线穿过;

13、电感若为屏蔽型电感则不需要挖空铜皮,若为非屏蔽型电感需要把电感中间的铜皮挖掉(分辨两种电感的方法看实物能否之间看到线圈)

14、电源输出节点要以最小面积处理大电流,防止铜箔面积变大会起到天线的作用,使EMI增加。image.png