处理稳压器高开关频率的 PCB 布局 (二)
《处理稳压器中高开关频率的 PCB 布局》系列专辑由三篇文章构成，主要围绕高开关频率处理稳压器，介绍了高频 DC/DC 转换器的优点、使用注意事项以及寄生电感对 PCB 布局的影响。上篇通过理想电路仿真，说明了高开关频率处理稳压器的优缺点，本文为第二篇，将使用 LTC1871 升压型开关稳压器的仿真电路来检查开关波形，并观察寄生电感变化时的 PCB 布局。
使用理想模型进行仿真
ADI LTC1871 开关稳压器是一款异步升压型转换器，其输出端采用了一个外部 MOSFET 和肖特基二极管，它的 SPICE 模型可用于构建一个输入电压为 1(V)、输出电压为 12(V) 和负载电流为 24(A) 的升压转换器，如下图 (图1) 所示。接下来开始运行仿真以观察每个终端的波形。
ADI LTC1871 开关稳压器仿真结果
仿真结果如下图 (图2) 所示，从顶部开始分别为：输出波形、SENSE 引脚波形、第 I 个引脚波形、GATE (BG) 引脚波形和开关 (SW) 节点波形。从波形来看它是稳定的，控制引脚 Ith 上的信号是干净的，SENSE 引脚的电压尖峰正常上升，并且开关节点是没有电压尖峰的。但是实际上这个波形与仿真的波形完全不同，开关节点可能会遇到过冲并且 GATE 引脚下冲的情况，这或许会超过 GATE 引脚的最大规格，同样开关节点也可能会下冲并高于最大额定值。在实际应用中，这些情况的不仅会发生，并且可能会因 PCB 布局而加剧。
电路板寄生电感变化时的反应
在实际电路中存在寄生元件，例如寄生电感。寄生电感是由元件几何形状和 PCB 布局引起的，由于电流压摆率非常高，与 MOSFET、二极管和输出电容器串联的寄生电感可能存在一些问题，例如高压摆率的电流在这些寄生电感中会产生大电压。如下图 (图3) 红框部分所示为具有附加寄生电感的升压转换器电路，在该电路中首先需要将寄生电感添加到控制器的 GND 引脚，红框以外的寄生电感可省略，因为它们在这次仿真中并不重要。
寄生电感对输出波形的影响
接下来可以查看仿真结果，如下图 (图4) 所示。从图中可以观察受电感影响的输出波形，可以看到有大量的高频振铃。其中第一级的第 I 个控制引脚和第二级的 SENSE 引脚上存在电压尖峰，这些电压尖峰可能会影响到控制器。此外第三级控制器的 PGND 上也有振铃，它会在外部组件和控制器的 GND 之间产生电压差。第四级 GATE 驱动引脚也出现过多振铃，这个振铃可以被有效利用，但它也有可能因为超过栅极引脚的最大额定值并导致故障。
通过下图 (图5) 中的放大输出波形图，可以比较直观地看到寄生电感的变化，其中主要问题点是超过控制器引脚的最大额定值。需要注意的是，栅极驱动器的引脚受到振铃的影响后也可能会导致电路问题，所以为了尽量减少这些问题，必须将寄生电感降至最低。在仿真过程中首先需要注意功率 MOSFET 和输出电容器选择低寄生电感的组件，外部功率 MOSFET (IPP052N06L3) 采用 TO-220 和 TO-263 封装，TO-220 封装具有一个约 13mm 长的源极引脚，TO-263 型封装具有一个约 4mm 长的源极引脚。仅考虑长度，TO-220 封装的寄生电感可能比 TO-263 型大 3 倍以上。
为了最小化输出电容器的电感，建议选择表面贴装陶瓷电容器，而不是带引线端子的电容器。此外通过并联陶瓷电容器，可显著降低等效串联电感，为了降低寄生电感，功率 MOSFET、二极管和输出电容应尽可能靠近放置，并用粗短接线连接。
总结
本文通过理想电路仿真，说明了 ADI LTC1871 自身的 GND 和外部组件 GND 可以达到均衡，然而在现实中，电路会受各个元件和 PCB 的寄生电感的影响而导致电位摆动，并且从仿真波形图可以看到这些寄生电感效应会导致电源 IC 发生故障。下一篇我们会专门针对电源接地和信号接地的方式，模拟使用 LTspice，并观察 PCB 布局的影响和相关注意事项。欲了解更多技术细节和 ADI 相关方案，您可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，澳门人巴黎人1797公司愿意为您提供更详细的技术解答。
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