四開關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器布局技巧：布線柵極驅(qū)動和返回路徑

印刷電路板 (PCB) 布局設(shè)計在實現(xiàn)四開關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器的高性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。我們討論了放置穩(wěn)壓器電源組件的策略、交流電流環(huán)路設(shè)計和電流檢測走線布線。在文章中，我將重點介紹柵極驅(qū)動器和返回路徑的最佳布線。

四個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 中的每一個的柵極驅(qū)動信號都沿著閉環(huán)運行。圖 1以LM34936 或LM5176 四開關(guān)降壓-升壓控制器為例。

圖1：門驅(qū)動和返回路徑路線

在實際電路中，PCB 走線通常具有寄生電阻、電感和電容。柵極驅(qū)動器的 PCB 走線電容通?？梢院雎圆挥?，因此我將在此處忽略它。圖 2 顯示了等效的柵極驅(qū)動電路。R Trace1是 PCB 驅(qū)動走線電阻，R Trace2是驅(qū)動返回走線電阻，L Trace1是驅(qū)動走線雜散電感，L Trace2是返回路徑電感，Ciss 是 MOSFET 柵極輸入電容。走線電阻和電感會導(dǎo)致柵極信號延遲；因此，最好使驅(qū)動器和返回走線盡可能短。

圖2：柵極驅(qū)動等效電路

鑒于電路板面積限制，不可能將驅(qū)動器放置在非常靠近 MOSFET 的位置。即使MOSFET是不是很緊密，有可能使[R TRACE1和R TRACE2在大多數(shù)設(shè)計<1Ω。大號TRACE1和L TRACE2如果跟蹤路由是窮人成為顯著，但是。幾納亨的電感可能會與 MOSFET 柵極電容發(fā)生劇烈共振，并產(chǎn)生柵極電壓振鈴，如圖3所示。如果振鈴幅度超過 MOSFET 柵極閾值電壓 Vth，則會導(dǎo)致不必要的額外開關(guān)動作，并導(dǎo)致 MOSFET 內(nèi)部出現(xiàn)嚴重的開關(guān)損耗。

圖3：門振鈴和不需要的額外開關(guān)動作

那么如何才能最小化柵極驅(qū)動電感呢？根據(jù)物理學(xué)，柵極驅(qū)動電感與驅(qū)動電流環(huán)路所包圍的空間面積成正比，即實際驅(qū)動和返回走線定義的面積。最小化驅(qū)動電流環(huán)路的空間面積應(yīng)該是我們在路由 MOSFET 驅(qū)動和返回路徑時的主要關(guān)注點。

假設(shè)驅(qū)動器位于 A 點，MOSFET 位于 PCB 上的 B 點；驅(qū)動器走線必須從 A 點路由到 B 點，然后返回到 A 點。還假設(shè)從 A 到 B 的直線走線是不可能的，因為其他組件在路上。圖 4 顯示了兩種不同的路由模式。顯然，選項 2 包含最小的空間區(qū)域，因此產(chǎn)生的電感最小，即使總走線長度與選項 1 相同。此示例清楚地表明最佳布線是將驅(qū)動器和返回走線靠近放置并排顯示驅(qū)動器和 MOSFET 之間的整個距離。

圖4：PCB 上 A 點和 B 點之間電流回路走線的布線模式

同樣，考慮到電路板面積的限制，有時沒有空間將一對驅(qū)動和返回走線并排放置在同一層上。一種解決方案是在相鄰層上驅(qū)動走線的陰影中布線返回走線，如圖 5 所示，其中驅(qū)動走線從第 1 層上的 A 點（驅(qū)動）到 B 點（MOSFET），并取通過孔連接到第 2 層，然后返回驅(qū)動器走線陰影中的 A 點。這樣，驅(qū)動走線和返回走線在垂直方向上基本并排緊密，最大限度地減少了信號環(huán)路所包圍的空間面積。

圖5：在相鄰層上驅(qū)動走線的陰影中布置返回走線以最小化環(huán)路電感

在為兩條高側(cè) MOSFET 驅(qū)動走線（即 HDRV1/SW1 和 HDRV2/SW2 走線）布線時，我們應(yīng)該應(yīng)用這些方案，無論是并排運行還是遮蔽。對于兩個低側(cè) MOSFET，兩個驅(qū)動返回路徑返回 PGND 引腳。如果 PCB 有多個包含接地層的層，那么我們只需要布線 LDRV1 和 LDRV2 走線并讓返回路徑占用接地層。由于電流自然流經(jīng)阻抗最小的路徑，因此返回路徑實際上將位于 LDRV1 或 LDRV2 走線的陰影中，如圖 5 所示。

如果接地層不可用，那么我們可以在同一層上并排布線驅(qū)動和返回走線。應(yīng)該有兩對專用走線：一對 LDRV1/PGND 走線和一對 LDRV2/PGND 走線用于兩個低側(cè) MOSFET。

結(jié)論

為了優(yōu)化四開關(guān)降壓-升壓性能，應(yīng)盡可能縮短柵極驅(qū)動走線。如果 PCB 空間不允許我們將 MOSFET 放置在離驅(qū)動器非常近的位置，則路由柵極驅(qū)動信號，使驅(qū)動和返回走線對緊密并排放置 - 位于同一 PCB 層或相鄰的 PCB 層上層 - 最小化驅(qū)動信號環(huán)路所包圍的空間區(qū)域。這樣做可以最大限度地減少寄生電感，防止柵極驅(qū)動振鈴，最大限度地減少開關(guān)損耗并實現(xiàn)四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的高性能。