目录一、输入电容摆放的三大法则二、为什么要减小这些寄生电感三、SW 下降沿与上管关断尖峰分析四、测试点的玄机你可能测错了五、结语众所周知Buck 变换器在使用过程中欲使输入端以最小的纹波代价快速提供 Buck 变换器每个开关周期所需要的能量输入端的 MLCC 是必不可少的。那么在实际 Layout 过程中输入端的 MLCC 摆放到底有什么讲究呢视频链接MPS电源小课堂Buck电路输入电容放置有讲究一、输入电容摆放的三大法则我们首先来谈一谈 Buck 电路输入电容位置放置的问题。一、输入 MLCC 尽可能的靠近芯片 VIN 和 PGND 引脚放置。二、在芯片下方尽可能多的放置 VIN 和 PGND 的通孔且通孔需要放置在芯片的 VIN 或者 PGND 的 pad 上。三、在 PCB 的 L2 层铺 VIN 的铜皮网络使得 top 层、L1 层和 L2 层形成正负正的堆叠结构。其目的是减小输入 MLCC 到芯片的寄生阻抗。针对这三点我们通过建立简化的 Layout 模型进行分析1输入 MLCC 尽可能的靠近芯片 VIN 和 PGND 引脚放置。我们简化输入 MLCC 到芯片 VIN 和 PGND 引脚的 layout 模型如下。其中 Ctop 为 top 面的输入 MLCCCbottom 为 bottom 面的输入 MLCC。L1 和 L2 分别为 top 面输入 MLCC 到芯片 VIN 和 PGND 的寄生电感L3 和 L4 分别为 bottom 面输入 MLCC 到 VIN 和 PGND 过孔的寄生电感。通过简化模型可以看出输入 MLCC 靠近芯片 VIN 和 PGND 引脚放置可以减小寄生电感 L1 和 L2。(2)在芯片下方尽可能多的放置 VIN 和 PGND 的通孔且通孔需要放置在芯片的 VIN 或者 PGND 的 pad 上。对于 top 面的 MLCC 来说打 VIN 和 PGND 的通孔除了连接内层 VIN 和 PGND 的铜皮以外本质上是增加了 VIN 和 PGND 的电流路径。除了增加通流能力以外还会使得不同层间的寄生电感并联达到减小输入 MLCC 到芯片 VIN 和 PGND 寄生电感的目的。对于 bottom 面的 MLCC 来说多打 VIN 和 PGND 的通孔除了使 bottom 面的 MLCC 有更好的滤波效果以外同时也会使得通孔间的等效电感并联达到减小寄生电感 L3 和 L4 的目的。3在 PCB 的 L2 层铺 VIN 的铜皮网络使得 TOP 层、L1 层和 L2 层形成正负正的堆叠结构其目的是减小输入 MLCC 到芯片的寄生阻抗。我们都知道PCB 的层与层之间相当于一个寄生电容。那么当在 TOP 层、L1 层和 L2 层铺正负正的网络时由于通孔的存在PGND 之间增加了很多寄生电容等效增大了输入 MLCC 的容值。另外增加 VIN 或者 PGND 层数本身就会减小输入 MLCC 到芯片间的寄生电感。第二条有提到就不再赘述。综上所述对于 Buck 变换器来说输入 MLCC 的放置一定要朝着减小输入 MLCC 到芯片 VIN 和 PGND 引脚寄生电感的方向去优化。二、为什么要减小这些寄生电感那么为何要减小这两个寄生电感呢下面我将从 Buck 变换器上下管电压应力的角度去分析原因。关于寄生电感对 EMI 的影响MPS 电源小课堂之汽车 DCDC EMI 里讲得很透这里就不再赘述。在下管电压应力测试中当我们使用最小环测试芯片的 SW 和 PGND 平角时会看到如下类似波形。开关节点 SW 的上升沿和下降沿会产生很大的震荡。上升沿震荡的峰值远超规定的电源电压下降沿甚至会震荡到负值。过大的正压和负压都会造成下管 MOS 的损坏。下面我们分别研究一下上升沿和下降沿尖峰产生的原因。首先看一下上升沿尖峰产生的原因。如下为 Buck 变换器的等效模型其中 Cin 为输入 MLCC且包含寄生 ESL 和 ESR。L1 和 L4 分别为输入 MLCC 到芯片 VIN 和 PGND 的寄生电感。L2 与 L3 为 Buck 芯片内部上下管 MOS 的等效寄生和引线电感。对于集成 MOS 的 Buck 变换器来说L2、L3 由芯片的工艺和内部走线决定。L5 和 C3 分别为 Buck 变换器的输出电感和输出电容。本文对Cin电容的 ESL、ESR 和 L2、L3 不做过多分析重点讨论 L1 和 L4 的大小对 Buck 变换器上下管电压应力的影响。下面我们通过仿真波形来辅助分析 SW 上升沿震荡产生的原因。截取 SW 电压和下管体二极管 IDR 的波形我们将波形分为三部分。第一部分T0 到 T1 时刻Q1 和 Q2 都关断此时电感 L5 的电流由二极管 D2 续流可以看到 SW 有负 0.7 伏左右的二极管压降。第二部分T1 到 T2 时刻T1 时刻 Q1 开通此时二极管 D2 会承受来自 Vin 的反压导致二极管电流迅速减小。由于二极管本身存在反向恢复所以会看到二极管电流会变负。在这个过程中D2、L3 支路的电流在减小因此会在电感 L3 上面感生出上正下负的电压。这就是 T1 到 T2 时刻 SW 第一段阶跃的原因。此时二极管D2仍在导通C2还未进行充电第三部分T2 时刻之后t2 时刻之后iD2 的电流因为反向恢复变为负值此刻进入第三阶段谐振阶段。谐振阶段又可以分为对 C2 充电和对 C2 放电两个阶段。仿真波形中增加电感 L1 和 L3 的电流 iL1 和 iL3。通过仿真波形可以看到t2 到 t3 时刻电感电流 L1 同时对 C2 和 L5 充电此时 SW 点电压慢慢爬升。由于 SW 点电压小于 Vin 电压iL1 电流不断增大。因为负载电流恒定因此电感 L3 电流不断增大。直到 SW 点电压等于 Vin 电压时电感 L1 电流达到最大C2 继续被充电SW 电压高于 Vin 之后电感 L1 电流开始减小iL3 也开始减小直到为零。此时 C2 停止充电SW 点电压达到最高点且iL1等于负载电流。T3 到 T4 时刻由于 SW 电压大于 Vin 电压L1 电流继续减小不足以为负载提供电流。此时 C2 通过 C2-L5-C3-C2 路径放电SW 电压开始下降直到 C2 电流放为零SW 电压达到最低点。之后重复 C2 充电和放电的过程。由于线路寄生电阻的存在SW 电压会最终稳定到 Vin 电压。仿真验证实际的 PCB 中很难去精准量化所以我们通过仿真的方式进行验证。仿真参数如下通过选取四组不同的 L1 和 L4 的电感值读取 VSW 的 max 值结果如下。通过仿真可以看到L1 与 L4 任何一个电感感量的大小都对下管 SW 上升沿尖峰的最大值有影响。且 L1 与 L4 的感值越大下管的 SW 正向尖峰越大。三、SW 下降沿与上管关断尖峰分析下面我们介绍一下 SW 下降沿负尖峰产生的原因和影响因素。同样结合 SW 电压IL1 和 IL3 的电流仿真波形可以看到T0 时刻Q1 关断Q2 未开通时输入电感 L5 电流可近似认为不变。此时有两条电流支路为电感 L5 提供能量Loop1: L1-C1-L5-C3-C4-Cin; Loop2: C2- L3- L5 -C3-C2。其中 Loop1 的电流在减小Loop2 的电流在增加。对于电感 L3 来说电感电流突然增加就会感应出下正上负的电压。因此在 SW 的下降沿会看到负压。通过仿真L3 分别选取不同的感值仿真结果如下。通过仿真结果可知负压的大小跟寄生电感 L3 相关且感值越大负压越负。同样我们用最小环测试 Buck 电路上管电压应力时也经常会看到在上管关断时Vin 到 SW 出现很大的电压尖峰。这个尖峰过大同样会损坏上管。下面我们看一下这个振荡尖峰产生的原因。结合 Vin 到 SW 电压和电感 L1 和 L3 的电流在 L1 和 L3 的仿真中把整个过程可以分为两个阶段。第一个阶段T0 到 T1 时刻T0 时刻Q1 关断电感 L1 上的能量经过 L1-C1-L5-C3-L4-Cin-L1 对 C1 进行充电。L1 电流不断减小在 L1 电流过零时C1 停止充电。此时 Vin 到 SW 电压达到最高点。第二个阶段T1 到 T2 时刻T1 时刻当 L1 过零时由于 C1 电压大于 Vin因此 C1 经过 C1-L1-Cin-L4-Q2-L3-C1 进行放电直到 L1 电流为零C1 停止放电。Vin 到 SW 电压下降到最低点。然后重复I和Ⅱ这两个过程在整个过程中由于线路寄生电阻的存在最终 Vin 到 SW 电压稳定在 Vin。在整个过程中电感 L5 上的能量经过 L5、C3、Q2、L3、L5 续流。在整个过程中由于线路寄生电阻的存在最终 Vin 到 SW 电压稳定在 Vin。在整个过程中电感 L5 上的能量经过 L5-C3-Q2-L3-L5 续流。仿真验证下面同样用仿真的方式看一下 L1 和 L4 的感值对 Vin 到 SW 尖峰的影响。依旧选取四组不同的电感参数仿真结果如下。由仿真结果可见L1 和 L4 的大小都会影响上管关断时的电压应力且感值越大应力也会越大。四、测试点的玄机你可能测错了下面给大家分享一下不同的电压应力测试点对测试结果造成的影响。测试下管电压应力时当我们在实际测试下管电压应力时由于芯片偏小不容易点到很多时候探头的接地会放在 VCCAP 的 GND 上此时测量会引入寄生电感 L4 的影响。通过仿真波形可以看到以 VCCAP 的负极为 GNDSW 上升沿尖峰测试会偏小,SW下降沿尖峰测试会偏大。测试上管电压应力时当我们在测试上管电压应力时如果探头的正极放在 Ccap 的 Vin 上此时测量会引入寄生电感 L1 的影响。通过仿真波形可知此时测出的电压应力会比实际值偏小。五、结语好了工程师朋友们我今天的分享就到这里。如果有问题欢迎随时交流。本文内容基于实际工程调试与仿真推导旨在还原电源设计的真实物理过程。希望能帮助大家在 Layout 和测试中少走弯路。
