Buck转换器PCB设计的最佳实践
关键的外卖
buck转换器背后的功能和物理原理。
buck转换器的PCB设计注意事项。
如何避免潜在的路由问题。
buck变换器因其节能设计而被广泛采用
降压变换器是一种dc - dc变换器电路直流电压这就是为什么它通常也被称为降压转换器。在可用的电源选项中，降压转换器pcb提供了一种高效电路，效率评级通常在95%之间。它们广泛应用于电路板上的低功率应用，需要将源电压降至普通电子电压，如5V或3.3V。
虽然电路相当简单，如果buck转换器没有正确放置和布线，电路板可能会有性能问题。糟糕的布局会导致来自电路的过度噪声和不合格的输出电压调节。在极端情况下，糟糕的实现可能导致普遍缺乏稳定性甚至设备故障。在这篇文章中，我们将讨论降压转换器背后的理论以及一些布局提示，可以帮助创建更好的DC-DC降压转换器PCB设计。
pcb中的Buck转换器
pcb的电源设计有多种选择，这取决于源电流和电压、热问题和噪声敏感性等因素。Buck转换器是经典的设计，因为其实用性和效率而迅速受到人们的喜爱。为了理解用于pcb的buck转换器的广泛采用，让我们先看看它们是如何工作的。
Buck转换器是如何工作的?
对于任何时变电路(通常是包含开关的电路)，必须在开关长时间关闭然后打开(反之亦然)的情况下检查电流和电压的变化。传统上，当开关打开时，一个与负载平行的反激二极管负责关闭电路(反之亦然)，但在现代设计中，这可以用第二个晶体管来代替，用于同步整流。
首先，想象一个闭合开关(打开状态)的情况，以及这对组件的电流和电压意味着什么。在长时间的通电状态后，电感完全接受了其对流经它的电流的初始磁阻，并类似于短路运行。电容器，最初作为一个短路，现在是一个功能开放。电流从一个源流过电感器并返回到负载。切换到off状态时，电感和电容都希望保持各自的电流偏好参数:电感的电流和电容的电压。电感塌陷其磁场和储存的磁能基本上交换电压为电流，因为它的偏好是看到一个稳定的电流。综上所述，在稳态条件下，负载处的电压将与源等效，而瞬态电路状态将有电感器维持通过负载的电流流动。
连续和不连续模式
最后一段有点像契诃夫的枪——电容在暂态电路中的作用没有被讨论。事实证明，上面概述的降压转换器操作只是一种操作方法:连续模式。在它中，假设是在通过电感的电流达到零之前的某个点上状态恢复。当电感器的电流被允许达到零时，第二个备用电源启动，电容器的电场坍缩产生电流以维持其电压。在这种不连续的操作中，电容通过电感器恢复电流，然后电感器可以继续将电流通过负载，直到存储在电容中的能量耗尽。
开关和二极管
如上所述，降压变换器可以采用开关和二极管或两个开关之间的开关。二极管，由于其方向和反向偏置，有一个低电压降在通状态和一个低电流拉在关状态，由于它的高电阻。它很好地发挥了自己的作用，但使用第二个开关可以获得更大的效率收益。因为二极管不能切换开和关，有一个恒定的功率损失与它相关。对于低占空比的电源电路，这不是什么大问题;更一致的off-state意味着功率下降可以忽略不计。然而，在占空比明显的系统中，可以通过用第二个开关替换二极管来实现显著的电力节约。
这样做的代价是必须施加更多的控制，使第二个开关能够动态地响应电路的需要。特别是，两个开关的双通状态可能导致通射，当源短路时，这是一个潜在的灾难性故障事件。实际上，双开关设计具有更好的响应能力和效率，但需要额外的控制实现来发挥作用。幸运的是，许多晶体管集成电路包括额外的计时功能和其他故障保护，以防止这种电路状态。
DC-DC Buck变换器PCB设计中的元件放置
一个成功的降压转换器集成到布局开始于组件的放置。布线应该从放置处自然流动，在关键网络上有短的、直接的痕迹，通过增加电容向外级联旁路电容。最佳实践应始终遵循制造商数据表的布局说明(如果有的话)。最终，关键不仅是相对于相关电路的适当组件的位置，而且是附近可能容易受到晶体管快速切换影响的组件。很多时候PCB布局设计者会这样做把组件要求整齐有序的间距，而不是最佳的电路流，这可能导致buck转换器PCB布局优化不佳。
一旦转换器IC已经放置在板上，将电源组件尽可能靠近IC:
输入电容:第一个要放置的关键部件是输入电容，它应该与它所连接的IC引脚放在同一面层上。当这部分被放置在相反的板侧，电压噪声可以通过电感通用来连接它到IC。
电感器:减少辐射EMI时，电感器也应靠近IC并在同一板面层上。
输出电容器:作为buck变换器电路中最后的功率元件，输出电容应该靠近电感。这将最小化组件之间的路由距离，以帮助确保良好的输出电压调节。
buck变换器的电路仿真。注意中等的占空比——如果考虑到效率，这可能是同步整改的一个很好的备选方案
一旦功率元件在板上，放置其他小信号元件的降压转换器电路。这些部件将包括软启动和去耦电容等与功率转换不直接相关的部件。这些部件对噪声很敏感，应该放置在尽可能靠近集成电路的地方，这样它们可以提供一个立即返回的路径，以降低噪声敏感性。另外，要注意不属于降压转换器的敏感元件或关键信号离电路太近。这将有助于防止可能导致意外运行时错误的归纳耦合事件。
巴克转换器路由
用于设计开关电源的DC-DC降压变换器的目标应该是在其路由的关键路径上保持低电感。最好的方法是减少路径的长度而不是宽度。与所有的电源组件在同一层，你不应该需要通过任何连接通过板，这是好的。通孔用于电源元件可以增加明显的电感到轨迹。你的角落路由路径或轨迹应以45度角完成或者更好的是，四舍五入。处于直角的角会引起电流波形反射并导致阻抗变化。
地面的路由
如何处理电路的接地布线也很重要。对于热和电性能，热垫应该使用最大的公差尺寸来支持更大的导电性。随着更大的面积，有更多的空间通孔连接到最近的参考平面在多层设计。一个常见的误解是需要将电源接地与电路的其余部分隔离开来——这可能是不必要的，可能会导致EMI或信号完整性问题。地面就是地面，尽量避免噪音，最好使用布局设计师可以使用的更直接的解决方案，如噪音过滤器或最佳放置方法。
精确布局:责任在你
一个完整的印刷电路板上的电源工作得如何，部分取决于其位置、路由和平面设计巴克转换器电路．保持部件紧密在一起，以减少连接，并监控如何划分电路的不同接地。创建buck转换器PCB布局的接地路由，使电流返回路径遵循逻辑顺序，不会将噪声电流通过敏感电路。
这是你的PCB设计CAD工具能帮上忙。你需要使用一个布局系统，它可以让你轻松地为你将要使用的不同类型的电源和接地电路设置设计规则。通过这种方式，您可以为每个网络分配不同的路由参数，并设置间距规则、组件以及不同的网络和组件类。其中一个CAD系统是OrCAD PCB设计者来自Cadence，它拥有我们所讨论的所有功能。有了它的设计规则和约束条件，它就是PCB设计系统，你需要成功的buck转换器设计。
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