处理稳压器高开关频率的PCB布局(二)

《处理稳压器中高开关频率的 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。上篇通过理想电路仿真，说明了高开关频率处理稳压器的优缺点，本文为第二篇，将使用 LTC1871 升压型开关稳压器的仿真电路来检查开关波形，并观察寄生电感变化时的 PCB 布局。

使用理想模型进行仿真

ADI LTC1871 开关稳压器是一款异步升压型转换器，其输出端采用了一个外部 MOSFET 和肖特基二极管，它的 SPICE 模型可用于构建一个输入电压为 1(V)、输出电压为 12(V) 和负载电流为 24(A) 的升压转换器，如下图 (图1) 所示。接下来开始运行仿真以观察每个终端的波形。

图1 LTC1871 升压型转换器电路

ADI LTC1871 开关稳压器仿真结果

仿真结果如下图 (图2) 所示，从顶部开始分别为：输出波形、SENSE 引脚波形、第 I 个引脚波形、GATE (BG) 引脚波形和开关 (SW) 节点波形。从波形来看它是稳定的，控制引脚 Ith 上的信号是干净的，SENSE 引脚的电压尖峰正常上升，并且开关节点是没有电压尖峰的。但是实际上这个波形与仿真的波形完全不同，开关节点可能会遇到过冲并且 GATE 引脚下冲的情况，这或许会超过 GATE 引脚的最大规格，同样开关节点也可能会下冲并高于最大额定值。在实际应用中，这些情况的不仅会发生，并且可能会因 PCB 布局而加剧。

图2 LTC1871 开关稳压器仿真结果

电路板寄生电感变化时的反应

在实际电路中存在寄生元件，例如寄生电感。寄生电感是由元件几何形状和 PCB 布局引起的，由于电流压摆率非常高，与 MOSFET、二极管和输出电容器串联的寄生电感可能存在一些问题，例如高压摆率的电流在这些寄生电感中会产生大电压。如下图 (图3) 红框部分所示为具有附加寄生电感的升压转换器电路，在该电路中首先需要将寄生电感添加到控制器的 GND 引脚，红框以外的寄生电感可省略，因为它们在这次仿真中并不重要。

图3 增加寄生电感的升压转换器电路

寄生电感对输出波形的影响

接下来可以查看仿真结果，如下图 (图4) 所示。从图中可以观察受电感影响的输出波形，可以看到有大量的高频振铃。其中第一级的第 I 个控制引脚和第二级的 SENSE 引脚上存在电压尖峰，这些电压尖峰可能会影响到控制器。此外第三级控制器的 PGND 上也有振铃，它会在外部组件和控制器的 GND 之间产生电压差。第四级 GATE 驱动引脚也出现过多振铃，这个振铃可以被有效利用，但它也有可能因为超过栅极引脚的最大额定值并导致故障。

图4 受电感影响的输出波形

通过下图 (图5) 中的放大输出波形图，可以比较直观地看到寄生电感的变化，其中主要问题点是超过控制器引脚的最大额定值。需要注意的是，栅极驱动器的引脚受到振铃的影响后也可能会导致电路问题，所以为了尽量减少这些问题，必须将寄生电感降至最低。在仿真过程中首先需要注意功率 MOSFET 和输出电容器选择低寄生电感的组件，外部功率 MOSFET (IPP052N06L3) 采用 TO-220 和 TO-263 封装，TO-220 封装具有一个约 13mm 长的源极引脚，TO-263 型封装具有一个约 4mm 长的源极引脚。仅考虑长度，TO-220 封装的寄生电感可能比 TO-263 型大 3 倍以上。

为了最小化输出电容器的电感，建议选择表面贴装陶瓷电容器，而不是带引线端子的电容器。此外通过并联陶瓷电容器，可显著降低等效串联电感，为了降低寄生电感，功率 MOSFET、二极管和输出电容应尽可能靠近放置，并用粗短接线连接。

图5 放大输出波形

总结

本文通过理想电路仿真，说明了 ADI LTC1871 自身的 GND 和外部组件 GND 可以达到均衡，然而在现实中，电路会受各个元件和 PCB 的寄生电感的影响而导致电位摆动，并且从仿真波形图可以看到这些寄生电感效应会导致电源 IC 发生故障。下一篇我们会专门针对电源接地和信号接地的方式，模拟使用 LTspice，并观察 PCB 布局的影响和相关注意事项。

审核编辑：汤梓红