Buck转换器的布线注意事项

我希望构建具有以下要求的可调输出降压转换器：

• 输出1.25-15V
• 输入20-24V
• 最大电流5A（带限制）
• 最大输出纹波为100mV（较好，但不太严格）
• PCB面积50x50mm

使用LM5085 IC：数据表，我相信我的设计可以工作。我选择的设计是数据表pg1上的“典型应用”原理图，并增加了一个检测电阻器： 我对选择元件的值非常有信心，只需遵循整个数据表中的方程即可（请注意：$C_{OUT1}$ 和 $C_{OUT2}$ 没有显示任何值，因为它们存在于任何将来具有不同电容器封装约束的项目的需求中。

注意：我没有包括组件值的计算，因为这不是问题的范围，尽管可以在示意图中看到这些值。如果出于任何原因需要它们，我可以在我的所有工作中进行编辑。

我的第一个问题是关于 $R_{adj}$，如数据手册第18-19页的设计示例所示，限流比较器失调和ADJ引脚灌入容差会导致实际限流值在相当大的范围内。我要走有什么问题吗$R_{adj1}$ 作为开路时，连接一个将汲取约6A的输出负载，然后调整微调电位器的值 $R_{adj2}$ 直到电流限制为5A？

我其余的问题都与董事会的布局有关。这是我的第一个具有更高频率和更大电流的PCB，因此我希望学习很多东西。使用pg23上的布局示例，本指南以及有关高频，大电流的布线以及电感器周围布线的其他问题，我有以下理解：

1. 必须最小化loop1： $D_1->L_1->C_{out}->D_1$
2. 必须最小化loop2： $C_{in}->R_{sns}->Q_1->L_1->C_{out}->C_{in}$
3. 连接来自 $R_{sns}$ 到ISEN引脚必须是开尔文连接
4. 尽可能避免在电感器下流走所有痕迹和倾泻物，以最大程度地减少感应噪声/电流
5. 高电流走线必须粗短
6. 使反馈走线远离电感和其他噪声走线
7. 避免在过高切换信号的地方使用过孔

考虑到所有这些，我的第一次尝试如下所示。值得注意的是，最大开关频率（发生在$V_{out}=max$）约为420kHz。作为参考，走线的厚度为：N $ 6为1.68mm（由于有足够的空间，它可能会变厚），去往输出端子J4的VOUT为3mm，小信号走线为0.254mm。使用在线走线宽度计算器可以在1.68mm的走线上使温度升高约23C。

这不是最新的设计，此处用于讲故事，请参阅“编辑”，其中 显示了循环的大小：

我主要关心的是：

• 这些痕迹厚度在正确的范围内吗？
• 我已尽最大可能将循环最小化，但如果做得不好，请告诉我
• LM 5085下的两个过孔对于将输入端子J3连接到顶层GND浇铸是必不可少的。我唯一避免这种情况的方法是改用FB走线（从CFF到LM5085）上的过孔，以允许顶层走线从J3到顶层接地层。在当前布局中，我没有选择这样做，因为需要使FB走线远离噪声，此处上述布局指南中的图7-c 会利用过孔，因此这可能吗？我在这里应该优先考虑什么？在一层上直接进行FB连接，还是在没有过孔的情况下将接地连接到输入端子？
• 栅极信号还包含2个过孔，以允许接地层到达输入电容器和二极管，另一种选择是将其作为顶层走线，并使用过孔将电容器连接到底层GND浇注。这里的性能更糟？将输入电容通过via / s连接到GND还是在420kHz的信号上有两个过孔？
• 如果还有其他我忽略或可以改善的地方？

我知道这是一本冗长的读物，非常感谢您的任何帮助和建议。

编辑1

查看链接的评估板布局后，我重做了评估板，仅尝试进行必要的调整： 原始原理图已更新为新设置，我现在使用“降低的纹波电平”配置。

组件更改：

• $C_{out}$ 现在是陶瓷的
• 电感器现在为SMD且封装尺寸更小
• 消除了过时的修剪锅（$R_{FB1}$）
• 的价值 $C_{in}$ 更改，现在包括旁路盖
• 将Q1更改为220封装以实现更好的散热（与D1共享）

解决@Ali陈回复：“什么是设计的宗旨，为1.25V会有相当不同的最佳比15V输出”

目的是构建一种SMPS，其工作方式类似于台式电源，但可以包含在较大的项目中。没错，对于不同的输出，最佳的组件值集会有所不同，但就我的目的而言，项目能够正常工作，获得最大效率/最小输出纹波等并不是我的优先考虑。

我对组件值的看法（如果这是错误的，请纠正我）是使用excel给出1.25-15V输出范围内的关键指标（$V_{o(ripp)}, V_{FB(ripp)}, I_{L(ripp)}$ 等），然后将其与监管机构的要求进行比较（例如， $V_{FB(ripp)} > 25mV$）以找到适用于所有输出的组件值。

欢迎对此新设计提供反馈，我的新关注点是：

• 开尔文连接在吗 $R_{sns}$ 可以接受吗？
• 热量与无热量？评估板上的布局不使用散热片，我已将它们用于大多数连接。只要进入焊盘的所有走线的组合都能处理电流，这可以吗？
• 还有其他想法吗？

编辑2

采纳@winny的建议，我通过背对背安装D1和Q1减小了布局的大小。还建议将Cin移近Q1，因此我尝试了这一点。Cin1是由评估板布局决定的电解的原始位置。Cin4是我试图将其拉近一点，这对它来说是更好的位置吗？还是它的接地端子现在离环路太远？ 最后，人们质疑在高达420kHz的频率下使用电子的有效性。该板的输出为1.25-15V，这意味着它的频率实际上将在40-420kHz的范围内，因此我希望电子产品有助于降低较低输出端的纹波。（也考虑将频率范围调整为20-200kHz）

您的问题非常模糊，这可能就是为什么没有人回答的问题。

因此，我假设您打算将您的问题大致分为以下两个具体问题：

1.它会起作用吗？

不，由于与布局无关的原因，它不起作用。

您陷入了将“可调整”误认为是“可变/可变”的可理解的普遍陷阱。一个可调节的输出调节器装置，而不是一个固定的输出电压，可以调整固定输出电压，将调节到。零暗示它可以在变化的输出电压应用中很好地工作，甚至完全不起作用。当然，变化意味着在工作期间稳压输出电压也会变化。所有可调节的手段是您可以调节固定的输出。在操作过程中它仍然是固定的。这就是为什么数据表中的所有示例以及评估板均具有固定输出的原因。

现在，“可调”一词也没有暗示它不能在变化的输出应用中使用。但是重要的是要了解，如果零件是可调节的，则没有理由认为您可以在操作时改变输出，或者零件是有意或专为这样做的。您必须逐个确定这一点。

您已经选择了恒定导通时间（COT）滞后控制器，对于变化的输出，这是一个不错的选择，但在设计此部件时并未考虑到这一点。COT控制器对其反馈路径中的噪声非常敏感。通常，为可变输出设计的COT具有专用的控制引脚，该引脚不会直接位于反馈路径中，从而大大降低了这种灵敏度（具体方法取决于器件）。LM5085上没有这样的引脚。

这很重要，因为COT控制器几乎肯定不会容忍有一些嘈杂的碳刮水器，实际上是机械地刮擦掉更多的碳，而任何手指碎屑和猫粪便（或其他任何东西）都已经在刮水器表面起作用。磁滞控制器的核心是一个比较器振荡器，使其具有极高的增益，并受到噪声的影响，而噪声甚至不会出现在更常见的电流模式误差放大器中。即使在操作过程中不进行调整，它甚至都不会容忍仅坐在那里的电位器。如果将其放置得足够远，以至于它不会与开关节点发生电容性或吸收性耦合（例如在天线中），那么走线反而会太长，并且会充当出色的自EMI拾音器天线。

如果要更改此控制器的输出，则必须这样做，而不会产生嘈杂的机电杂物（不允许移动部件！）或更改反馈路径的实际电阻。您将需要使用电流注入，可能需要使用电流输出DAC。是的，那是一个很高的要求。不，没有办法解决。就是这样，还是选择了更传统的电流模式PWM控制器。

值得一提的是，注入电流并不特定于COT，而是可以用作线性，PWM，迟滞等变化任何控制器输出电压的一种非常有效，可靠且低噪声的方法。它相当通用。

而且，这实际上是愚蠢的运气，实际上是TI的一篇博客文章展示了我对您的确切描述所做的事情！好极了！

第二个问题：

2.布置降压转换器时应遵循哪些准则？

因此，您大多是在担心错误的事情，或者是在担心很多无关紧要的事情，而很少在担心发生的事情。

首先，请注意以下几点：

1. 5A并不是真正的大电流，您的输出电流实际上并不能说明电路中将出现的电流。在降压转换器中，在某些区域中通常会出现许多次输出电流。

2. 板上没有东西是高频/高频。在布局方面，高频始于数百兆赫兹及以上。以千赫兹为单位测量的频率在高频的两个数量级之内都没有。

3. 我认为您混淆了dV / dT引起的振铃和开关频率。当各种用于切换台的布局应用笔记讨论高频时，这与您的切换频率无关。实际上，相同的400KHz转换器将以与40KHz相同的频率振铃。

所讨论的高频EMI /噪声取决于开关（在您的情况下为MOSFET和二极管）的上升时间dV / dT，以及开关节点中涉及的寄生电感和电容。请记住，您的所有部件之间都有寄生电容（如果它们之间有电介质/绝缘体），那么任何导电的部件也是电感。如果您有一个串联或并联的电容器或电感器，或者只是彼此有趣地看着对方，会得到什么？是的，您会得到一个LC谐振腔。通常，寄生电容太小而无关紧要，但是MOSFET的输入电容以及输入电容器会直接将数十安培的电流直接通过MOSFET注入到连接到电感器一根引线的开关节点中……它们绝对重要。和他们'

在大多数情况下，它们不会引起注意，因为要花很长时间才能敲响这样的铃声。不幸的是，我们的MOSFET非常理想，可以敲响钟声并将其哄骗。上升时间越快，振铃响度越高，频率越高。您可能每秒打开40,000次，或每秒打开400,000次，但是无论您每秒翻转开关多少次，每次打开都一样快和困难。这就是您的开关频率无关紧要的意思。

在降压转换器中，您最关心的是输入，而不是输出。最重要的是，您希望将输入电容器放置在尽可能靠近高端和低端开关的位置。 这是您的交换节点。一个响了。尽可能接近意味着尽可能接近。 1毫微亨利将产生有意义的变化。是的，1纳亨利。每毫米都很重要。

您还希望输出电容器的接地尽可能接近输入电容器的接地。但这是次要的，并且需要进行一些优化，而不会以牺牲输入电容器靠近开关的代价为代价。降压转换器通过在输入端吸入巨大但短暂的电流来工作，该电流先于较慢的感应电流斜坡，该电流构成了我们的纹波电流的一个周期。

因此，当然，那些TO-220零件需要去掉。铅和键合线可能仅增加5个纳米亨利！您需要一个很好的表面安装封装，其漏极/源极电感以数百皮安测量。没有一些笨重的TO-220可能是一座摩天大楼，它在这些引线上有多高和多远。浪费了毫米。

哦，唯一重要的电容器就是陶瓷。电解质的ESL太多，它们在100KHz或150KHz（如果您使用高频类型）时完全是电阻性的，即使频率足够低也只能过滤纹波电流。还记得MOSFET导通的速度和难度吗？电解质完全无法在纳秒级的开关时间上升电荷时释放电荷。他们的电感阻止了这种情况，因此，即使他们还没有从板上释放出第一对电荷，该开关却使您的电压下降（没有容性缓冲器能够起反应），并且您的开关纹波将所有能量都击回到了供电中您的DC / DC转换器。在低频下，将存在这些高频谐波，这些谐波将直接直接通过电解而没有被衰减。

电解质可以消除低频下降并提供大量的去耦，但是它们在您的主开关环路附近甚至在较低频率的任何地方都没有用，即使在更低的频率下，也应该在陶瓷电容器前面，最靠近您的开关节点。

就您需要担心的噪声（至少来自切换器）而言，陶瓷是唯一具有电容的东西。

现在，所有这些事情都不一定会阻止电路工作。这不是完整或详细的指南，但是，我又回答了一个模糊的问题，因此只能给出模糊的答案。希望至少可以更好地了解正在发生的事情，并且应该作为继续学习的一个良好起点。

我可能稍后会编辑此问题并添加更详尽的列表，但现在我需要上床睡觉。抱歉!