目录

  • PCB模块化设计24——DCDC电源模块PCB布局布线设计规范
    • 1、DCDC电源概述
    • 2、BUCK DC-DC工作时的电流通路
    • 3、DCDC设计
      • 1、芯片手册的下载
      • 2、原理图分析
      • 3、布局
        • 1、CIN、 CBYPASS、 D1的放置
        • 2、电感的放置
        • 3、输出电容的放置
        • 4、反馈网络布线
        • 5、总结
      • 4、布线

PCB模块化设计24——DCDC电源模块PCB布局布线设计规范

链接: DCDC电源模块的PCB设计
链接: Buck DC-DC 的PCB layout
链接: DCDC电源模块

1、DCDC电源概述

开关电源的基本构成如下图所示,其中DC-DC变换器用于进行功率转换,他是开关电源的核心部分,此外还有启动、过流和过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路(R1、R2)检测输出电压的变化,并与基准电压Ur比较,误差电压经过放大及脉宽调制电路(PWM),在经过驱动电路控制功率器件的占空比,从而达到调整输出电压大小的目的。

1、DCDC电源模块可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器,有降压和升压两种,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。

2、开关电源主要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。

开关电源电路设计要点介绍
A、电感的取值:电感的取值越大,对纹波的衰减作用越强;但占用PCB的面积较大,不能灵敏的实现输出电压的反馈,动态效果差。

B、开关频率:开关频率越高,则电感和电容的值越小,但开关评率越高,电源电路的功耗也越大,也不利于EMI的抑制。

C、功耗

D、纹波和噪声:纹波指的是电源波动中5Mhz以下的低频段,噪声指的是电源波动中5Mhz以上的高频段。为了减少这些纹波和噪声,可采用增加滤波电容和磁珠。

E、上电顺序:可采用缓启动电路,利用电源芯片上的上点速度控制引脚

2、BUCK DC-DC工作时的电流通路

1、当开关管Q1开启时,电流路径如下:

2、当开关管Q1关闭时,电流路径如下:

3、Q1开启和关闭时,差异部分如下图,而在这一部分电路中,电流的变化是剧烈的,因此在PCB布局中需要格外注意


常见DCDC电路图
这个是同步整流的。

3、DCDC设计

1、芯片手册的下载

关键信息读取
A、了解当前芯片的电压范围

B、了解当前芯片的电流大小

C、通过管脚功能表了解芯片的管脚作用

2、原理图分析

分析原理图,对 电源的输入路径、输出路径、反馈路径进行分析,找出其电源流向的主干道

3、布局

1、按照Datasheet中推荐内容,将电源芯片放置到合适位置

2、先摆放输入\输出主干道上的器件

3、摆放器件时注意主干道尽量按照一字或者L型进行布局

4、在摆放器件时,器件布局尽量紧凑,使电源路径尽量短

5、注意流出打孔和铺铜的空间,以满足电源模块输入/输出通道同流能力

6、滤波器件需要放置,且在放置时滤波电容路径上保持先大后小原则

7、对于输出多路的开关电源尽量使相邻电感之间垂直放置,大电感和大电容尽量布置在主器件上面。

1、CIN、 CBYPASS、 D1的放置

当输出电流IO ≤ 1A时,可以将CIN和CBYPASS用一个陶瓷电容来替代;当输出电流比较大时,则不能将这两个电容合并,并且CIN需要一个容值更大的电容,一般来说,容值越大通常意味着频率特性越差(自谐振频率越低);CBYPASS一般采用X5R或X7R的 0.1uF~0.47 uF贴片型陶瓷电容。

我们先来看看两幅比较好的layout:


在上述两幅图中,CBYPASS都靠近IC引脚放置,当布局空间紧张时,可以将CIN放置的稍远,2cm以内都可以。在空间允许的条件下,当然第一种更好了。

当布局空间紧张到不得不把CIN放置到底层时,这种布局会有什么影响呢?

答:当输出电流比较大时,由于过孔的电阻会使得输出电压的纹波增加。

如果将CIN和CBYPASS都放置在底层,会有什么影响?

答:CIN和CBYPASS的过孔寄生电感会使输出电压噪声显著增加。在布局时不要这么做!

说完电容的布局,接下来说说D1的布局。
下图的D1布局是很好的。

而下面这种布局就不太好了

D1与DC-DC的连线越长,走线的寄生电感越大,走线一定要短而粗。IC至D1,D1至地的走线都太长,寄生电感增加,输出电压的尖峰噪声会变的更大。

2、电感的放置

1、电感要靠近IC放置,但是不要太靠近输入电容CIN、CBYPASS

2、在散热和载流满足要求的条件下

不要增加电感的出线线宽
不要增加电感的出线线宽
不要增加电感的出线线宽
一定要来张图片才形象,不要像下图这样布线


3、电感下方的GND铜皮要挖空;不要像下图这样布线

4、避免电感下方的两块铜皮过近,寄生电容会直接将开关节点出的噪声直接引入至输出,不要像下图这样布线

最后,来张推荐的的布线图

3、输出电容的放置

输出电容CO尽量靠近电感,但是不要太靠近CIN和CBYPASS,建议CIN与CO相距1-2cm

4、反馈网络布线

最最最重要的部分!! 反馈网络布线是最需要注意的,如果这根线上加载了噪声,将会直接体现在输出电压上。

(1)电阻分压网络连接至FB的走线一定要走短线;且用parallel的方式走线,如图

(2)从output取电压时一定要从CO后取电压

(3)在远离电感和二极管开关节点的地方出线。不要在电感器和二极管正下方布线。(左图布线更优)

5、总结

1、输入电容CIN和CBYPASS要和二极管D1和DC-DC在同一表面,输入电容尽量靠近DC-DC放置;

2、电感尽可能靠近IC引脚放置,在载流满足输出电流的要求下,不要加粗电感出线(与pin保持一样粗细即可);

3、输出电容靠近电感放置;

4、反馈网络取电压时,从输出电容后侧取电压,且走线远离电感和二极管。

4、布线

1、根据电流参数进行DCDC主干道及反馈的布线

2、优先按照芯片手册示列进行布置

3、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

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。

5、输入/输出路径尽量少打孔换层

6、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。

7、铺铜处铜皮与焊盘连接使用十字连接,减少焊接不良现象。

8、电流特别大可使用全连接处理,或者使用十字连接后对十字处进行铜皮补强处理,以满足通流能力。

9、反馈路径需要远离干扰源和大电流的平面上

10、一般采用10mil以上的线连到输出滤波电容之后。

11、开关电源模块内部的信号互联线尽量短而粗,远离干扰源

12、一般加粗到10mil以上(但不能比焊盘粗)。

13、开关电源的中间散热大焊盘一般需要打散热地过孔。

14、同时,PIN上的孔需双面开窗,以利于散热。

15、一般需要在热焊盘的背面开窗处理,以增大散热面积,提高散热效率。

16、散热大焊盘扇出的过孔中间一般不允许有信号线穿过。

17、开关电源模块的电感器件底下需避免走线

18、其所在层需挖空铜皮处理(挖空至丝印位置),

19、电感附近如有走线,需要对信号线包地处理。

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