高DV/DT开关区 - 如何做好非隔离式开关电源的PCB布局

　　高DV/DT开关区

　　图2和图4中，在VIN（或VOUT）与地之间的SW电压摆幅有高的dv/dt速率。这个结点上有丰富的高频噪声分量，是一个强大的EMI噪声源。为了尽量减小开关结点与其它噪声敏感走线之间的耦合电容，你可能会让SW铜箔面积尽可能小。但是，为了传导大的电感电流，并且为功率MOSFET管提供散热区，SW结点的PCB区域又不能够太小。一般建议在开关结点下布放一个接地铜箔区，提供额外的屏蔽。

　　如果设计中没有用于表面安装功率MOSFET与电感的散热器，则铜箔区必须有足够的散热面积。对于直流电压结点（如输入/输出电压与电源地），合理的方法是让铜箔区尽可能大。

　　多过孔有助于进一步降低热应力。要确定高dv/dt开关结点的合适铜箔区面积，就要在尽量减小dv/dt相关噪声与提供良好的MOSFET散热能力两者间做一个设计平衡。

　　功率焊盘形式

　　注意功率元件的焊盘形式，如低ESR电容、MOSFET、二极管和电感。图8a（略）和8b（略）分别给出了不合理和合理的功率元件焊盘形式。

　　对于去耦电容，正负极过孔应尽量互相靠近，以减少PCB的ESL.这对低ESL电容尤其有效。小容值低ESR的电容通常较贵，不正确的焊盘形式及不良走线都会降低它们的性能，从而增加整体成本。通常情况下，合理的焊盘形式能降低PCB噪声，减小热阻，并最大限度降低走线阻抗以及大电流元件的压降。

　　大电流功率元件布局时有一个常见的误区，那就是不正确地采用了热风焊盘（thermal relief），如图8a（略）所示。非必要情况下使用热风焊盘，会增加功率元件之间的互连阻抗，从而造成较大的功率损耗，降低小ESR电容的去耦效果。如果在布局时用过孔来传导大电流，要确保它们有充足的数量，以减少阻抗。此外，不要对这些过孔使用热风焊盘。

　　图9（略）是有多个板上电源的应用，这些电源共享相同的输入电压轨。当这些电源互相不同步时，就需要将输入电流走线隔离开来，以避免不同电源之间耦合公共阻抗噪声。每个电源拥有一个本地的输入去耦电容倒是不太关键。

　　对于一只PolyPhase单输出转换器，为每个相做一个对称布局有助于热应力的均衡。

　　布局设计实例

　　图10（略）是一个设计实例，它是一个3.5V~14V，最大输出1.2V/40A的双相同步降压转换器， 使用了LTC3855 PolyPhase电流模式步进降压控制器。在开始PCB布局前，一个好的习惯是在逻辑图上用不同颜色特别标示出大电流走线、高噪声的高dv/dt走线，以及敏感的小信号走线。这种图将有助于PCB设计者区分开各种走线。

　　图11（略）是这个1.2V/40A电源的功率元件层上的功率级布局例子。图中，QT是高侧控制MOSFET，QB是低侧同步FET.可选择增加QB的接地面积，以获得更多的输出电流。在功率元件层的下方，放了一个实心的电源地层。

　　控制电路布局

　　使控制电路远离高噪声的开关铜箔区。对降压转换器，好的办法是将控制电路置于靠近VOUT+端，而对升压转换器，控制电路则要靠近VIN+端，让功率走线承载连续电流。

　　如果空间允许，控制IC与功率MOSFET及电感（它们都是高噪声高热量元件）之间要有小的距离（0.5英寸~1英寸）。如果空间紧张，被迫将控制器置于靠近功率MOSFET与电感的位置，则要特别注意用地层或接地走线，将控制电路与功率元件隔离开来。

　　图12（略）是LTC3855电源的较好的隔离地方案，IC有外露的GND焊盘，应焊到PCB上，以尽量减少电气阻抗与热阻。几只关键去耦电容应紧挨着IC引脚。

　　控制电路应有一个不同于功率级地的独立信号（模拟）地。如果控制器IC上有独立的SGND（信号地）和PGND（功率地）引脚，则应分别布线。对于集成了MOSFET驱动器的控制IC，小信号部分的IC引脚应使用SGND.

　　信号地与功率地之间只需要一个连接点。合理方法是使信号地返回到功率地层的一个干净点。只在控制器IC下连接两种接地走线，就可以实现两种地。图12（略）给出了建议的LTC3855电源接地隔离法。在本例中，IC有一个外露的接地焊盘。此焊盘应焊到PCB上，以尽量减少电气阻抗与热阻。应在接地焊盘区放置多个过孔。

　　控制IC的去耦电容应靠近各自的引脚。为尽量减少连接阻抗，好的方法是将去耦电容直接接到引脚上，而不通过过孔。如图12（略）所示，应靠近置放去耦电容的LTC3855引脚是电流检测引脚Sense+/Sense-，补偿引脚ITH，信号地SGND，反馈分压器脚FB，IC VCC电压引脚INTVCC，以及功率地引脚PGND.

　　回路面积与串扰

　　两个或多个邻近导体可以产生容性耦合。一个导体上的高dv/dt会通过寄生电容，在另一个导体上耦合出电流。为减少功率级对控制电路的耦合噪声，高噪声的开关走线要远离敏感的小信号走线。如果可能的话，要将高噪声走线与敏感走线布放在不同的层，并用内部地层作为噪声屏蔽。

　　空间允许的话，控制IC要距离功率MOSFET和电感有一个小的距离（0.5英寸~1英寸），后者既有大噪声又发热。

　　LTC3855控制器上的FET驱动器TG、BG、SW和BOOST引脚都有高的dv/dt开关电压。连接到最敏感小信号结点的LTC3855引脚是：Sense+/Sense-、FB、ITH和SGND.如果布局时将敏感的信号走线靠近了高dv/dt结点，则必须在信号走线与高dv/dt走线之间插入接地线或接地层，以屏蔽噪声。

　　在布放栅极驱动信号时，采用短而宽的走线有助于尽量减小栅极驱动路径中的阻抗。在图13（略）中，布放的高FET驱动器走线TG与SW应有最小的回路面积，以尽量减小电感与高dv/dt噪声。同样，低FET驱动器走线BG要靠近一根PGND走线。

　　如果在BG走线下布放了一个PGND层，低FET的交流地返回电流将自动耦合到一个靠近BG走线的路径中。交流电流会流向它所发现的最小回路/阻抗。此时，低栅极驱动器不需要一个独立的PGND返回走线。最好的办法是尽量减少栅极驱动走线通过的层数量，这样可防止栅极噪声传播到其它层。

　　在所有小信号走线中，电流检测走线对噪声最为敏感。电流检测信号的波幅通常小于100mV，这与噪声的波幅相当。以LTC3855为例，Sense+/Sense-走线应以最小间距并行布放（Kelvin检测），以尽量减少拾取di/dt相关噪声的机会，如图14（略）所示。

　　另外，电流检测走线的滤波电阻与电容都应尽可能靠近IC引脚。当有噪声注入长的检测线时，这种结构的滤波效果最好。如果采用带R/C网络的电感DCR电流检测方式，则DCR检测电阻R应靠近电感，而DCR检测电容C则应靠近IC.

　　如果在走线到Sense-的返回路径上使用了一个过孔，则过孔不应接触到其它的内部VOUT+层。否则，过孔可能会传导大的VOUT+电流，所产生的压降可能破坏电流检测信号。要避免在高噪声开关结点（TG、BG、SW和BOOST走线）附近布放电流检测走线。如可能，在电流检测走线所在层与功率级走线层之间放置地层。

　　如果控制器IC有差分电压远程检测引脚，则要为正、负远程检测线采用独立的走线，同时也采用Kelvin检测连接。

　　走线宽度的选择

　　对具体的控制器引脚，电流水平和噪声敏感度都是唯一的，因此，必须为不同信号选择特定的走线宽度。通常情况下，小信号网络可以窄些，采用10mil~15mil宽度的走线。大电流网络（栅极驱动、VCC以及PGND）则应采用短而宽的走线。这些网络的走线建议至少为20mil宽。