介绍寄生电感对PCB布局的影响

《处理稳压器高开关频率的 PCB 布局》系列专辑由三篇文章构成，主要围绕高开关频率处理稳压器，介绍了高频 DC/DC 转换器的优点、使用注意事项以及寄生电感对 PCB 布局的影响。本文是该系列的最后一篇，将通过电源接地 (P-GND) 和信号接地 (S-GND) 继续为大家介绍寄生电感对 PCB 布局的影响。

以理想 GND 绘制电路图

如下图 (图1) 所示为 ADI LTC1871 异步升压型转换器电路图，它是不包含寄生电感的理想电路。在仿真中，LTC1871 的 GND 和外部组件的 GND 均可达到理想均衡。但是在实际操作中，每个元件和 PCB 的寄生电感会导致 GND 产生电位偏移，因此我们只需要关注 PCB 布局并重现 GND 电路。

图1 ADI LTC1871 升压型转换器电路图

电源接地 (P-GND) 和信号接地 (S-GND)

电源电路具有电源接地 (P-GND) 和信号接地 (S-GND)，通过稳定和加强这些 GND 可以防止栅极驱动处开关电流影响模拟控制器。在理想情况下，电源电路位于单个电路板上，并且所有接地应具有相同的电位，但如果每个 P-GND 和 S-GND 引脚弹跳，电源电路的控制器部分可能会受到影响。下图 (图2) 显示的是一个 GND 模式，其中 P-GND 和 S-GND 与一个 1mΩ 电阻和 1nH 电感啮合，P-GND 和 S-GND 通常通过细小导线或通孔或 0 mΩ 电阻器连接，在这里可以假设连接 R8 和 L8 或寄生电感以检查效果。

图2 网状电源接地和信号接地电路图

查看仿真结果检验寄生电感的影响

现在我们可以通过查看模拟仿真结果来检验：如果存在 R8 或 L8 的电阻分量或寄生电感，是否会导致稳压器的工作出现问题？如下图 (图3) 中的绿色波形表示开关节点具有 10ns 的极快上升时间，此时如果将 SW 节点和 S-GND 的仿真结果设置为具有 1pF 的小寄生电容，则可以看到 S-GND 节点处发生较大的电压尖峰和振铃，效果可参考图中的红色波形 P-GND，这证实了电源电路的控制器部分可能会出现电压差，并会最终影响电路运行。

*图3 受电感影响的输出波形 (L8=1mH/R8=10mΩ)*

降低寄生电感和电阻

为了最小化两个 S-GND 之间的振铃，可以通过将寄生电感 L8 从 1mH 降低到 1nH，电阻 R8 从 10mΩ 降低到 1mΩ 来改善连接到 P-GND 的寄生电感 L8，最后通过降低 P-GND 和 S-GND 之间的 R8 和 L8 值，可以发现图 3 中的红色波形小于图 4 中的红色波形，这证实了 S-GND 的振铃变小了。

*图4 受电感影响的输出波形（L8=1nH/R8=1mΩ）*

综上所述，我们并不能通过仿真整个电路来重现在实际应用中的波形，但可以通过将仿真电路组装成一种形式，该形式侧重于设计特定电路元件时出现问题的部分 (在本次仿真案例中为 GND)。同时可以以易于理解的方式对设备和组件进行排列，以重现诸如如何获取 GND 之类的问题。

按控制器类型划分的 PCB 布局注意事项

接下来我们可以看看其他类型控制器的 PCB 布局。最常见的 BUCK 转换器的功率级如下图 (图5) 所示，降压转换器看起来与 BOOST 转换器相同，只是控制 MOSFET 位于顶部，它会在输入侧产生脉冲开关电流。在这种情况下，需要为输入电容处理高开关电流，且图中红色圆圈中的环路必须很小，因为只有很小的锯齿纹波电流才能流过输出电容器。脉冲接地电流来自 MOSFET M1 和输入电容器，如果 M1 和输入电容并排放置，则两个电流相加，由此产生的接地电流将像叠加在锯齿电流纹波上的直流电流一样，其余的元件布局和 PCB 布局与 BOOST 转换器的 PCB 布局完全相同。

图5 降压转换器配置图

接下来需要考虑降压-升压转换器的情况，其电路图如下图 (图6) 所示。乍一看，降压-升压转换器更为复杂，但其实该电路可以分解为降压和升压转换器，每个电路根据输入电压切换其操作。如果输入电压低于输出电压，它将充当 BOOST 转换器，如果输入电压高于输出电压，它将作为 BUCK 转换器工作。

电路的每个部分也可以独立布局，虽然这两个部分不必彼此靠近，但还是建议将它们靠得近一些，以最小化作为 EMI 源的开关节点的大小。除此以外，控制器需要远离两个高开关电流区域，并将 MOSFET/ 开关节点-电感-输出电容 (Cout) 放置在同一表面上。如果布置面不同，布线距离会很长，则无法实现紧密布局，但如果通过通孔，该部分可能会产生寄生电感，并且在开关过程中可能会产生较大的尖峰电压。

图6 降压-升压转换器的电路图





审核编辑：刘清