《處理穩(wěn)壓器中高開關(guān)頻率的 PCB 布局》系列專輯由三篇文章構(gòu)成，主要圍繞高開關(guān)頻率處理穩(wěn)壓器，介紹了高頻 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)、使用注意事項(xiàng)以及寄生電感對(duì) PCB 布局的影響。上篇通過理想電路仿真，說明了高開關(guān)頻率處理穩(wěn)壓器的優(yōu)缺點(diǎn)，本文為第二篇，將使用 LTC1871 升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的仿真電路來檢查開關(guān)波形，并觀察寄生電感變化時(shí)的 PCB 布局。

使用理想模型進(jìn)行仿真

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

圖1 LTC1871 升壓型轉(zhuǎn)換器電路

ADI LTC1871 開關(guān)穩(wěn)壓器仿真結(jié)果

仿真結(jié)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(gè)引腳波形、GATE (BG) 引腳波形和開關(guān) (SW) 節(jié)點(diǎn)波形。從波形來看它是穩(wěn)定的，控制引腳 Ith 上的信號(hào)是干凈的，SENSE 引腳的電壓尖峰正常上升，并且開關(guān)節(jié)點(diǎn)是沒有電壓尖峰的。但是實(shí)際上這個(gè)波形與仿真的波形完全不同，開關(guān)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)遇到過沖并且 GATE 引腳下沖的情況，這或許會(huì)超過 GATE 引腳的最大規(guī)格，同樣開關(guān)節(jié)點(diǎn)也可能會(huì)下沖并高于最大額定值。在實(shí)際應(yīng)用中，這些情況的不僅會(huì)發(fā)生，并且可能會(huì)因 PCB 布局而加劇。

圖2 LTC1871 開關(guān)穩(wěn)壓器仿真結(jié)果

電路板寄生電感變化時(shí)的反應(yīng)

在實(shí)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(lián)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(huì)產(chǎn)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(zhuǎn)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?yàn)樗鼈冊(cè)谶@次仿真中并不重要。

圖3 增加寄生電感的升壓轉(zhuǎn)換器電路

寄生電感對(duì)輸出波形的影響

接下來可以查看仿真結(jié)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(jí)的第 I 個(gè)控制引腳和第二級(jí)的 SENSE 引腳上存在電壓尖峰，這些電壓尖峰可能會(huì)影響到控制器。此外第三級(jí)控制器的 PGND 上也有振鈴，它會(huì)在外部組件和控制器的 GND 之間產(chǎn)生電壓差。第四級(jí) GATE 驅(qū)動(dòng)引腳也出現(xiàn)過多振鈴，這個(gè)振鈴可以被有效利用，但它也有可能因?yàn)槌^柵極引腳的最大額定值并導(dǎo)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(diǎn)是超過控制器引腳的最大額定值。需要注意的是，柵極驅(qū)動(dòng)器的引腳受到振鈴的影響后也可能會(huì)導(dǎo)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(gè)約 13mm 長的源極引腳，TO-263 型封裝具有一個(gè)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(lián)陶瓷電容器，可顯著降低等效串聯(lián)電感，為了降低寄生電感，功率 MOSFET、二極管和輸出電容應(yīng)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(jié)

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(dá)到均衡，然而在現(xiàn)實(shí)中，電路會(huì)受各個(gè)元件和 PCB 的寄生電感的影響而導(dǎo)致電位擺動(dòng)，并且從仿真波形圖可以看到這些寄生電感效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電源 IC 發(fā)生故障。下一篇我們會(huì)專門針對(duì)電源接地和信號(hào)接地的方式，模擬使用 LTspice，并觀察 PCB 布局的影響和相關(guān)注意事項(xiàng)。