處理穩壓器高開關頻率的PCB布局(二)

《處理穩壓器中高開關頻率的 PCB 布局》系列專輯由三篇文章構成，主要圍繞高開關頻率處理穩壓器，介紹了高頻 DC/DC 轉換器的優點、使用注意事項以及寄生電感對 PCB 布局的影響。上篇通過理想電路仿真，說明了高開關頻率處理穩壓器的優缺點，本文為第二篇，將使用 LTC1871 升壓型開關穩壓器的仿真電路來檢查開關波形，并觀察寄生電感變化時的 PCB 布局。

使用理想模型進行仿真

ADI LTC1871 開關穩壓器是一款異步升壓型轉換器，其輸出端采用了一個外部 MOSFET 和肖特基二極管，它的 SPICE 模型可用于構建一個輸入電壓為 1(V)、輸出電壓為 12(V) 和負載電流為 24(A) 的升壓轉換器，如下圖 (圖1) 所示。接下來開始運行仿真以觀察每個終端的波形。

圖1 LTC1871 升壓型轉換器電路

ADI LTC1871 開關穩壓器仿真結果

仿真結果如下圖 (圖2) 所示，從頂部開始分別為：輸出波形、SENSE 引腳波形、第 I 個引腳波形、GATE (BG) 引腳波形和開關 (SW) 節點波形。從波形來看它是穩定的，控制引腳 Ith 上的信號是干凈的，SENSE 引腳的電壓尖峰正常上升，并且開關節點是沒有電壓尖峰的。但是實際上這個波形與仿真的波形完全不同，開關節點可能會遇到過沖并且 GATE 引腳下沖的情況，這或許會超過 GATE 引腳的最大規格，同樣開關節點也可能會下沖并高于最大額定值。在實際應用中，這些情況的不僅會發生，并且可能會因 PCB 布局而加劇。

圖2 LTC1871 開關穩壓器仿真結果

電路板寄生電感變化時的反應

在實際電路中存在寄生元件，例如寄生電感。寄生電感是由元件幾何形狀和 PCB 布局引起的，由于電流壓擺率非常高，與 MOSFET、二極管和輸出電容器串聯的寄生電感可能存在一些問題，例如高壓擺率的電流在這些寄生電感中會產生大電壓。如下圖 (圖3) 紅框部分所示為具有附加寄生電感的升壓轉換器電路，在該電路中首先需要將寄生電感添加到控制器的 GND 引腳，紅框以外的寄生電感可省略，因為它們在這次仿真中并不重要。

圖3 增加寄生電感的升壓轉換器電路

寄生電感對輸出波形的影響

接下來可以查看仿真結果，如下圖 (圖4) 所示。從圖中可以觀察受電感影響的輸出波形，可以看到有大量的高頻振鈴。其中第一級的第 I 個控制引腳和第二級的 SENSE 引腳上存在電壓尖峰，這些電壓尖峰可能會影響到控制器。此外第三級控制器的 PGND 上也有振鈴，它會在外部組件和控制器的 GND 之間產生電壓差。第四級 GATE 驅動引腳也出現過多振鈴，這個振鈴可以被有效利用，但它也有可能因為超過柵極引腳的最大額定值并導致故障。

圖4 受電感影響的輸出波形

通過下圖 (圖5) 中的放大輸出波形圖，可以比較直觀地看到寄生電感的變化，其中主要問題點是超過控制器引腳的最大額定值。需要注意的是，柵極驅動器的引腳受到振鈴的影響后也可能會導致電路問題，所以為了盡量減少這些問題，必須將寄生電感降至最低。在仿真過程中首先需要注意功率 MOSFET 和輸出電容器選擇低寄生電感的組件，外部功率 MOSFET (IPP052N06L3) 采用 TO-220 和 TO-263 封裝，TO-220 封裝具有一個約 13mm 長的源極引腳，TO-263 型封裝具有一個約 4mm 長的源極引腳。僅考慮長度，TO-220 封裝的寄生電感可能比 TO-263 型大 3 倍以上。

為了最小化輸出電容器的電感，建議選擇表面貼裝陶瓷電容器，而不是帶引線端子的電容器。此外通過并聯陶瓷電容器，可顯著降低等效串聯電感，為了降低寄生電感，功率 MOSFET、二極管和輸出電容應盡可能靠近放置，并用粗短接線連接。

圖5 放大輸出波形

總結

本文通過理想電路仿真，說明了 ADI LTC1871 自身的 GND 和外部組件 GND 可以達到均衡，然而在現實中，電路會受各個元件和 PCB 的寄生電感的影響而導致電位擺動，并且從仿真波形圖可以看到這些寄生電感效應會導致電源 IC 發生故障。下一篇我們會專門針對電源接地和信號接地的方式，模擬使用 LTspice，并觀察 PCB 布局的影響和相關注意事項。