在高电流、快速开关转换器电路(具有高电流和电压压摆率)中,为了实现可靠的器件运行和设计稳健性,正确的 PCB 设计和布局非常重要。此外,转换器的 EMI 性能在很大程度上取决于 PCB 布局。
在图 7-32 中,降压稳压器功率级的高频电源环路以红色表示,降压稳压器的拓扑结构意味着图中所示的元件中流过特别高的 di/dt 电流。必须通过尽可能减小有效环路面积来降低此环路的寄生电感。
以下列表总结了用于优化直流/直流转换器性能(包括热特性和 EMI 特性)的 PCB 布局和元件放置基本指南。图 7-33 展示了 LM704A0-Q1 的推荐布局,并优化了功率级和小信号元件的布局和布线。
- 将输入电容器尽可能靠近输入引脚对放置:VIN 和 PGND 引脚靠近在一起(中间有一个间隙以增加电气间隙),从而简化了输入电容器的放置。
- 在 VIN 到 PGND 之间放置具有 X7R 或 X7S 电介质的低 ESR 陶瓷电容器。将 0402 电容器靠近 VIN 放置以实现高频旁路,如图 7-33 所示。使用额外的 1206 或 1210 电容器作为大容量电容。
- 输入电容器和输出电容器的接地返回路径必须包含连接到 PGND 引脚的局部顶层平面。
- 在 IC 顶层下方的 PCB 层上使用实心接地平面:该层充当噪声屏蔽层和散热路径。使用 IC 正下方的 PCB 层可最大限度地减少与开关环路中的电流相关的磁场,从而减少寄生电感以及开关电压过冲和振铃。在 PGND 附近使用多个散热过孔,以便向内部接地平面散热。
- VIN、VOUT 和 GND 总线连接越宽越好:这些路径必须尽可能宽和直,以减少转换器输入或输出路径上的任何压降,从而更大限度地提高效率。
- 将降压电感器靠近 SW1、SW2 和 SW3 引脚放置:在转换器 SW 引脚和电感器之间使用短而宽的连接引线。同时,尽量减小此高 dv/dt 表面的长度(和面积),以帮助减少电容耦合和辐射 EMI。将电感器的同名端连接到 SW 引脚。
- 将 VCC 和 BOOT 电容器靠近相应的引脚放置:VCC 和 BOOT 电容器分别表示内部低侧和高侧 MOSFET 栅极驱动器的电源,因此会承载高频电流。将 CVCC 靠近 VCC 引脚放置,并在返回端子处放置一个 GND 过孔以连接到 GND 平面,从而在外露焊盘处返回到 IC GND。将 CBOOT 连接到靠近 CBOOT 和 SW4 引脚的位置。
- 将反馈分压器尽可能靠近 FB 引脚放置:通过将电阻分压器靠近 FB 引脚而不是靠近负载放置,降低输出电压反馈路径的噪声敏感度。这可减少 FB 布线长度和相关的噪声耦合。FB 引脚是电压环路误差放大器的输入,并代表对噪声敏感的高阻抗节点。到 VOUT 的连接可能会更长一些。不过,不得将这一条较长的布线布置在任何可能会通过电容耦合到转换器反馈路径的噪声源(例如开关节点)附近。
- 提供足够大的 PCB 面积以实现适当的散热:使用足够的覆铜区实现与最大负载电流和环境温度条件相称的低热阻抗。为 LM704A0-Q1 提供足够的散热,以将结温保持在 150°C 以下。对于满额定负载运行,顶部接地层是一个重要的散热区域。使用矩阵式散热过孔将封装的外露焊盘 (GND) 连接到 PCB 接地平面。如果 PCB 具有多个铜层,请将这些散热过孔连接到内层接地平面。最好使用 2 盎司(不少于 1 盎司)的铜制作 PCB 顶层和底层。