關鍵器件的布局

布局對于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的成功運行非常關鍵。良好的布局首先要確定這些關鍵組件，如圖 1 所示：

· 高 di/dt 回路或熱回路。

· 高 dv/dt 節(jié)點。

· 敏感的痕跡。

圖 1：識別高 di/dt 環(huán)路、高 dv/dt 節(jié)點和敏感走線

圖 1 顯示了 LM5175 四開關降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的高 di/dt 路徑。最主要的高 di/dt 環(huán)路是輸入開關電流環(huán)路和輸出開關電流環(huán)路。輸入回路由輸入電容器 (C IN )、MOSFET（Q H1和 Q L1）和檢測電阻器 (R s ) 組成。輸出回路由輸出電容器 (C OUT )、MOSFET（Q H2和 Q L2）和檢測電阻器 (R s ) 組成。

高 dv/dt 節(jié)點是那些具有快速電壓轉(zhuǎn)換的節(jié)點。這些節(jié)點是開關節(jié)點（SW1 和 SW2）、引導節(jié)點（BOOT1 和 BOOT2）和柵極驅(qū)動走線（HDRV1、LDRV1、HDRV2 和 LDRV2），以及它們的返回路徑。

從電阻器 R s到集成電路 (IC) 引腳（CS 和 CSG）、輸入和輸出檢測跡線（VISNS、VOSNS、FB）和控制器組件（SLOPE、R c1、C c1、 C c2 ) 形成對噪聲敏感的跡線。它們在圖 1 中以藍色顯示。

為了獲得良好的布局性能，盡量減少高 di/dt 路徑的環(huán)路面積，盡量減少高 dv/dt 節(jié)點的表面積，并使噪聲敏感的走線遠離噪聲（高 di/dt 和高 dv/dt）部分電路。

2.最大限度地減少熱循環(huán)

一旦我們確定了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設計的關鍵部分，我們的下一個任務就是最大限度地減少任何噪聲源和不需要的寄生效應。最大限度地減少熱循環(huán)是朝著這個方向邁出的重要第一步。圖 1 顯示了四開關降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的熱回路或高 di/dt 回路。除了輸入和輸出開關環(huán)路（第 1 至 6 號）之外，圖 1 還突出顯示了由柵極驅(qū)動器及其返回路徑形成的熱環(huán)路。

圖 1：四開關降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的熱回路

由于功率級熱回路（紅色）包含最大的開關電流，因此首先優(yōu)化它們。在降壓周期中，輸入回路（第 1 號）承載開關電流。在升壓周期中，輸出回路（第 2 號）承載開關電流。根據(jù)我的經(jīng)驗，在使用對稱布局優(yōu)化兩個回路時，我實現(xiàn)了最低的回路面積和最緊湊的設計。

圖 2 和圖 3 是良好功率級布局的示例。圖 2a 中所示的布局示例為檢測電阻器和 FET 中產(chǎn)生的熱量提供了更好的散熱路徑?？紤]遵循圖 2b 中所示的布局示例來創(chuàng)建更高密度的設計，因為它將功率級組件更緊密地包裝在一起。

圖 2：對稱功率級布局最大限度地減少了四開關降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的輸入和輸出功率環(huán)路，(a) 中等密度設計，(b) 高密度設計

功率級的尺寸、熱穩(wěn)定性和噪聲性能需要權衡。較小的 di/dt 環(huán)路和較小的 dv/dt 節(jié)點具有較低的寄生效應并且輻射也較少。它們在存在外部噪聲的情況下也更加穩(wěn)健，因為較小的環(huán)路區(qū)域耦合的噪聲較少。然而，較小的設計在熱方面受到更多限制，因為沒有多少銅直接連接到散熱元件，包括 MOSFET、檢測電阻器和電感器。對于功率相對較高的設計，我們可能需要在開關節(jié)點處增加銅面積以限制溫度。

圖 3 顯示了一種能夠處理更高電流并允許 FET 并聯(lián)的設計。熱量分布在 FET 之間，然后可以擴散到相鄰的銅平面，從而避免溫度過度升高或形成熱點。

圖 3：用于更高功率設計的具有并行 FET 和更大銅面積的示例布局

3. 將差分傳感線與電源平面分離

布局中最常遇到的問題是從檢測電阻到 TI 的 LM5175 集成電路 (IC) 引腳（CS-CSG 對）的差分檢測信號的布線不正確。傳感連接的示例如圖 1 所示。

圖 1：LM5175 原理圖顯示了從功率級到控制器引腳的差分檢測連接。

在某些情況下，設計人員會犯此錯誤，因為其中一個檢測節(jié)點（檢測電阻器的下側(cè)，在黃色圓圈中標記為節(jié)點“N”）在電氣上與電路接地 (GND) 相同。因此，布局工程師不清楚需要差分路由 CS-CSG 對（攜帶小信號（數(shù)十毫伏））。圖 2 顯示了這個常見錯誤。

圖 2：(a) 更正差分電流檢測布線和 (b) 布線差分檢測信號時的常見錯誤。

在其他情況下，設計人員確實認識到需要對電流檢測信號進行差分路由。但是在完成電路板的過程中，負極走線連接到平面或覆銅，因為布局工具將網(wǎng)絡視為接地 (GND) 網(wǎng)絡。如圖 3 所示，這種意外連接可能發(fā)生在沿線的任何地方。在接下來的段落中，我將描述一些常見的做法來避免這種情況。

圖 3：差分檢測信號與電源接地層的無意連接示例。

網(wǎng)絡關系

網(wǎng)絡連接允許在原理圖中人為地分離網(wǎng)絡名稱（圖 4）。這允許布局工具將 N1 和 N2 視為單獨的節(jié)點，并保護大部分差分走線 (N2) 免受意外連接到地平面或澆筑。缺點是 N1 部分在技術上是一個 GND 網(wǎng)絡，因此仍然需要與 GND 平面或覆銅分離（圖 4）。

圖 4：使用 Net-Tie 防止感應信號意外連接到銅層或覆銅層的示例。

多邊形切口或保留切口

許多布局工具提供稱為多邊形切口或多邊形保留的功能。Polygon keep outs 創(chuàng)建一個邊界，防止多邊形或銅澆注進入。多邊形禁止層必須從頭到尾遵循感測軌跡。當感測跡線通過過孔改變層時，您必須格外小心。在這種情況下，您必須在通孔周圍的所有層上使用多邊形保持區(qū)。圖 5 顯示了一個示例。

圖 5：正確使用多邊形切口將感應走線與電源平面分開。

感測走線的不正確布線會破壞原本良好的設計。識別感應痕跡——尤其是那些與銅區(qū)域、平面或澆注共享網(wǎng)絡名稱的痕跡——是必不可少的。在印刷電路板 (PCB) 設計過程中，必須使用網(wǎng)線或多邊形保持器隔離這些走線，以防止無意中連接到銅平面。