Layout des Schaltreglers: Ein oder zwei Lagen?

Werfen Sie einen Blick auf das typische Layout eines Schaltreglers auf einer Leiterplatte; normalerweise wird alles aus mehreren Gründen auf einer einzigen Schicht platziert. Manchmal, wie in Szenarien mit geringer Leistung, ist die Schaltung einfach physisch klein, sodass es wirklich nicht notwendig ist, zwei Schichten zu verwenden, um Platz zu sparen. Bei größeren Schaltreglern bedeutet die physisch große Größe der Komponenten, dass die Platzierung auf zwei Schichten theoretisch etwas Platz sparen könnte, aber dies macht die Platzierung in einem Gehäuse aufgrund von Montagebeschränkungen schwieriger.

Wenn Sie einen Schaltregler mittlerer Größe haben, der vielleicht ein paar diskrete Bauteile und einige MOSFETs enthält, haben Sie etwas Flexibilität, alles auf zwei Schichten zu platzieren, da Sie typischerweise keine großen mechanischen Teile (Kühlkörper oder Ventilatoren) oder hohe Kondensatoren/Induktoren haben. Sollten Sie alles auf einer einzigen Schicht oder zwei Schichten platzieren, und was wird die Auswirkung auf die Leistung sein?

Wie sich herausstellt, liegt der Haupteffekt der Platzierung auf zwei Schichten in Bezug auf Parasitäre und Rauschkopplung. Es wäre wahrscheinlich möglich, das Design kleiner zu machen und möglicherweise niedrigere abgestrahlte/empfangene EMI zu haben, aber es könnte eine starke Kopplung zu nahegelegenen Verbindungen erzeugen, wenn es nicht richtig ausgelegt ist. Lassen wir uns dies tiefer ansehen, um zu verstehen, wo Rauschen beginnt, Probleme zu verursachen und welche Lösungen es gibt, um Rauschkopplung zu verhindern.

Rauschen in Ein-Schicht- und Zwei-Schicht-Schaltreglern

Alle Schaltregler erzeugen Rauschen an ihrem dV/dt-Knoten und dI/dt-Schleife. Bei komplexeren Topologien, wie Halbbrücken-/Vollbrücken-Topologien, kann der Schaltknoten je nach Phasendifferenz zwischen den Schalt-FETs zwischen verschiedenen Positionen im Design wechseln. Wenn es eine PFC-Schaltung auf der Platine gibt und sie im kritischen Leitmodus betrieben wird, dann wird sie tief an ihren Hoch- und Niedrigseite-Schaltknoten modulieren, um hohe dV/dt-Spitzen zu erzeugen. In jedem Fall wird der dV/dt-Knoten den Standort der dI/dt-Schleife bestimmen. Zusammen werden diese bestimmen, wie Rauschen möglicherweise im Design gekoppelt werden könnte.

Das Beispiel-Schaltbild eines Abwärtswandlers unten zeigt, wo diese Knoten existieren. Ähnliche Diagramme könnten für einen Aufwärtswandler oder für eine isolierte Topologie gezeichnet werden. Der Schaltknoten und die pulsierende Stromschleife sind im Diagramm angegeben; dies sind die Punkte, an denen die Schaltung am meisten Störungen abstrahlen wird.

Diese Art von Schaltung könnte unter Verwendung eines Gate-Treibers ausgelegt werden, um den PWM-Impuls zu erzeugen und Q1 zu modulieren. Fortgeschrittenere Brücken- oder Resonanztopologien werden im Grunde dasselbe tun, aber die Stromschleife und der dV/dt-Knoten können je nach Topologie zwischen verschiedenen Punkten wechseln.

Bei der Entscheidung, wo die Komponenten platziert werden sollen (einseitiges vs. doppelseitiges PCB-Layout), werden Sie den von dem Regler eingenommenen Bereich gegen das Schaltgeräusch abwägen, das der Regler in andere Schaltkreise einkoppeln kann. Um einige Vorteile jedes Stils zu sehen, schauen wir uns einige Beispiele an.

Beispiel für ein einseitiges PCB-Layout

Für dieses Beispiel werde ich mir einen Buck-Regler-IC (TPS562201 von Texas Instruments) ansehen, der bis zu 2 A Strom liefern könnte. Die Schaltung verwendet eine Rückkopplungsschleife mit einem Widerstandsteiler, um die Ausgangsspannung zu erfassen und einen Einzelschusstimer zu justieren, der interne MOSFETs auslöst, die das Schalten erzeugen. Daher wird die Ausgangs-dI/dt-Schleife die Masseebene auf dem Die des ICs umspannen und muss darunter eine gleichmäßige Masse haben.

Wir haben zwei Ziele, wenn wir diese Schaltung auf das Layout übertragen:

1. Verhindern, dass dV/dt-Rauschen von SW_OUT und magnetisch gekoppeltes Rauschen durch parasitäre Kapazität und parasitäre Induktivität die Rückkopplungsschleife erreichen.
2. Sicherstellen, dass die dI/dt-Schleife so klein wie möglich ist, damit sie nicht stark strahlt und damit die Induktivität der Leiter in dieser Schleife nicht zu übermäßigem transienten Überschwingen während des Schaltens beiträgt.

Ein Beispiel für einen typischen Ansatz zum Layout dieses kleinen Schaltreglers auf einer Leiterplatte wird unten gezeigt. Ich habe grob den Weg des Schaltstroms auf der Platine nachgezeichnet, damit wir sehen können, wo das Design anfällig für Abstrahlung ist. Der Stackup verwendet 4 Lagen. In diesem Design haben wir eine Rückkopplungsleitung, die von R1 zurück zu U1 führt (die Leiterbahn auf Schicht 2), sowie den großen Kupferschaltknoten (SW_OUT).

Die Rückkopplungsleitung könnte anfällig für etwas Rauschkopplung sein, was in dieser Anwendung ziemlich wichtig ist. Diese Leitung wird verwendet, um zu bestimmen, wann ein interner Einzelschusstimer zurückgesetzt werden muss, damit der interne MOSFET für den nächsten Schaltzyklus ausgelöst werden kann. Daher möchten Sie starkes Rauschen vermeiden und eine genaue Rückkopplungsmessung sicherstellen. In diesem Beispiel ist es eine gute Strategie, sie auf Schicht 2 zu platzieren und sie mit Masse zu umgeben, um eine niedrige Induktivität zu gewährleisten. Diese Leiterbahn vor Schaltrauschen von L1 zu schützen, könnte auf drei Arten erfolgen:

1. Halten Sie es auf der unteren Schicht und bewegen Sie es weiter weg von L1 und SW_OUT
2. Platzieren Sie es auf der oberen Schicht, umgeben Sie es mit etwas Kupferfüllung und schirmen Sie es mit sorgfältig dimensionierten Schaltvias ab
3. Legen Sie die Leiterbahn auf die Rückseite, sodass sie vollständig durch GND abgeschirmt ist

Wenn wir uns für #3 entscheiden, könnten wir genauso gut die Ausgangskondensatoren auch auf die Rückseite legen! Lassen Sie uns sehen, wie das aussieht.

Vorsicht bei zweischichtigen Regler-Schaltungen

Zweischichtige Schaltungen mit einer Stromschleife auf der Ausgangsseite sind attraktiv für das Layout in zwei Schichten. Diese Anordnung wird manchmal aufgrund der Anordnung des LC-Abschnitts im Regler als Muscheldesign bezeichnet. Der Hauptgrund, warum Sie sich für diese Art der Verlegung entscheiden könnten, ist die Kontrolle über die Parasiten, was Ihnen dann die Kontrolle über die Kopplung von Schaltrauschen auf andere Schaltungen gibt. Dies ist besonders wünschenswert, wenn Sie einen kleinformatigen Leistungsregler entwerfen, der möglicherweise in der Nähe anderer Schaltungen liegt.

Unser modifizierter Zweischicht-Schaltkreis wird unten gezeigt (Schicht 1 im Fokus). Ich habe U1, C5 und L1 auf der oberen Schicht gelassen; alle kleineren passiven Bauteile sind auf der unteren Schicht. Wenn diese Platine in ein Gehäuse mit kleinen Abstandshaltern eingebaut werden würde, gäbe es keine Probleme mit sperrigen Komponenten auf zwei Schichten. Wir können auch die Platine im Vergleich zum vorherigen Layout viel kleiner machen.

Die untere Schicht wird unten gezeigt. Indem wir die passiven Bauteile auf die untere Schicht verlegt haben, haben wir die Rückkopplungsschleife enger gestaltet, so dass sie eine niedrigere Induktivität aufweist und durch die Erde auf Schicht 2 und 3 vollständig von L1 abgeschirmt ist. Ein weiterer Vorteil ist SW_OUT; es ist auch vollständig von der Rückkopplungsschleife abgeschirmt.

Wie können wir das Layout verbessern?

Ich bin der Überzeugung, dass kein Layout perfekt ist und es immer Verbesserungen geben kann. Das oben genannte Layout wird technisch funktionieren, aber ein paar Änderungen im Layout können Gutes bewirken und helfen, das Layout etwas kompakter zu machen. Der Nachteil des Layouts ist, dass das magnetische Feld entlang der Oberfläche der Platine erzeugt wird, sodass wir keine Datensignale entlang der oberen und unteren Kanten der Leiterplatte führen können. Das ist etwas, das man im Hinterkopf behalten sollte, wenn man dieses Design in ein anderes Layout einfügt, das einige Datensignale enthalten wird.

Ein anderer Weg, das Layout zu verbessern, ist, diese Rückkopplungswiderstände und die Rückkopplungsspur zu platzieren. Idealerweise würden wir diese Widerstände (R1 und R2) näher am Rückkopplungspin haben wollen. Wenn es sich bei diesen um Strommesswiderstände handeln würde, dann würden wir auch eine Kelvin-Verbindung implementieren wollen, um die geringstmögliche Modifikation des Widerstands im Rückkopplungsnetzwerk zu gewährleisten. Während das Platzieren auf der Rückseite und das Hinzufügen von etwas GND etwas Abschirmung hinzufügt, ist es besser, diese Widerstände nahe am Rückkopplungspin zu platzieren, um die genaueste Nachverfolgung der Ausgangsspannung zu erreichen.

Wenn wir einfach eine 90-Grad-Drehung auf U1 anwenden und die Komponenten verschieben, können wir das Layout etwas kompakter gestalten und die Größe der Platine reduzieren.

Mir gefällt das besser, weil der größte Teil des SW_OUT-Knotens über GND liegt, anstatt über der Rückkopplungsspur. Die dI/dt-Schleife durch C3 und C4 ist ebenfalls viel enger. Das Verschieben dieser Rückkopplungswiderstände hilft auch, die Gesamtgröße des PCB-Layouts zu reduzieren.

Wäre dies nur ein einfaches Reglermodul und die Gesamtanzahl der Kupferschichten wäre 2, dann hätten wir keine anderen Möglichkeiten, um irgendwelche der empfindlichen Spuren vor dem Schaltknoten abzuschirmen, außer die Spuren einfach weiter von SW_OUT zu bewegen und die gesamten Leitungslängen zu erhöhen. Würde dieses Layout in einem echten Produkt mit einigen anderen Komponenten verwendet, dann hätten Sie wahrscheinlich eine GND-Verbindung oder eine ganze GND-Ebene auf einer internen Schicht (z.B. mindestens ein 4-Lagen-Board). Dies gibt Ihnen eine Möglichkeit, sowohl die Schleifeninduktanz für die Rückkopplungsspur/SW_OUT zu reduzieren als auch diese Steuerspuren vom SW-Knoten abzublocken, wodurch Sie einen gewissen Schutz vor Störkopplungen erhalten.

Skalierung nach oben

Wenn Sie diese Prinzipien mit einem einzelnen Power-MOSFET verstehen, dann können Sie dies auf einen synchronen Konverter mit zwei MOSFETs oder auf einen fortgeschritteneren Brückenkonverter, Resonanzkonverter oder mehrfasigen Konverter erweitern. Diese Layouts sind komplexer, da es mehr Stellen gibt, an denen Störungen sich auf andere Schaltungen in Ihrem PCB-Layout übertragen können. Die Befolgung der oben genannten Prinzipien zur Störungskopplung wird jedoch helfen sicherzustellen, dass Sie erfolgreich sind, wenn Sie fortgeschrittenere Leistungstopologien entwerfen.

Wenn Sie Ihren Schaltregler-Layout platzieren und verlegen müssen, nutzen Sie die CAD-Funktionen in Altium Designer®. Sie haben die Freiheit, Komponenten schnell auf jeder Schicht zu platzieren und Ihren Stackup so einzustellen, dass Störungen kontrolliert werden. Wenn Sie bereit sind, Ihre Entwürfe mit Mitarbeitern oder Ihrem Hersteller zu teilen, können Sie Ihre fertigen Designs über die Altium 365™-Plattform teilen. Alles, was Sie benötigen, um fortschrittliche Elektronik zu entwerfen und zu produzieren, finden Sie in einem Softwarepaket.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer + Altium 365.