5.4 直流直流转换器常见错误及解决方案4 - 振铃抑制与芯片散热

那么第七个问题

我们要讨论的是

我们在开关节点的振铃的现象

我们可以看到下面这张图里面

这是大概十多伏输入的一个 BUCK 电路

我们看到开关节点上的电压

会有很明显的往上振的过程

而且在电压往下回来之后

也会有大概会有五六个振铃出现

那么它最大的 Peak 电压

相对我们平台电压大概会有十伏的值

很明显的这个点的开关振荡是非常严重的

一般来说这种开关振铃严重

都跟 PCB Layout 会有非常大的关系

所以我们这个时候

看一下它的 PCB 的布局的情况

下面这个图就显示了这个 BUCK 变换器

它的基本的布局情况

从 PCB 的布局来看

我们可以看到很明显的现象

在芯片周围没有看到任何有关的去耦电容

因为对我们这个芯片来说

它是集成了 BUCK 的上管和下管的开关管的

所以说在这 BUCK 的上管和下管附近

都没有看到有任何电容

放在这个附近来实现去耦

那么这个时候我们可以做对比的实验

我们在 C1 这个位置放一颗 10uF 的电容

那么我们会从之前

完全没有近距离的去耦电容

在 C1 这个位置放了一个去耦电容

那么我们可以看到振铃

就是开关节点的振铃

这里明显的就是比之前会小了

那么最大的震动幅度

也是由 10V 变成 8V

如果这个时候我们把 C1

就是这个1206 10uF 电容再往右

就是离芯片更近的地方挪动

把它移到 C3 的位置上

同时的话我们在 C6 的位置上

放一颗 0.1uF 0603 的小的瓷片电容

我们可以看到在这个振铃上

电压又有了更大的改进

那会由之前的 8V 变成现在的 5V 的情况

对于我们这颗芯片来说

它实际上它的 Pin 上它是由左右两端

它是有输入电压作为主要的功率的输入口

那么它实际上是左右对称的 Pin 脚分布

那么这个时候我们在图 3 里面

它实际上只是在它的左边

放了 C3 跟 C6

也就是 10uF 跟 0.1uF 的电容

那么这个时候如果说我们在它的右边

在 C8 的位置也放一个 10uF 电容

同时也在靠近芯片的位置

也放一个 0.1uF 小电容

那么就实现左右两端的

输入 Pin 上都有一个去耦电容

我们可以看到这个时候

开关节点上的波形明显有了巨大的改善

那么从之前的 10V 变成 8V 变成 5V

那么最后我们通过这个左右对称的放置

就变成振铃只有最大 2V 的 Peak 电压

所以说出现了这种情况

我们首先就要必须要明白

我们这个振铃

它的产生的基本的原理

我们用这个图实际上是显示了

我们整个 BUCK 电路的基本的工作模态

我们这条红色的框

是当我们上管开通的时候

它实际上是由输入电容通过上管

然后经过输出电感 输出电容

然后通过地回路来形成电流回路的

当我们上管关断之后

那么下管开通

那么这个时候就实际上是输出电感

那么通过输出电容

然后对地然后再经过同步整流管

来形成续流的回路

那么我们可以从这个开关节点上

振铃的时序上来看

这个振铃一般都是

发生在上管开通的上升沿的时间

那么我们先看看上管开通之前

整个电路的工作情况

上管开始之前我们同步整流管

这个时候是处于工作状态

也就是会处于我们这个

蓝色的续流的状态

那么芯片知道上管将要开通了

这个时候会提前先关断下管

这个时候我们下管被关断之后

因为我们电感电流是不能发生突变

这个时候电感电流依然会保持

跟之前的一样的流动方向

那么这个时候电感电流会通过输出电容

通过地然后流经下管的体二极管

然后回到我们电感来形成环流

那么这个时候就实际上电感电流

它实际上是通过同步整流管的

体二极管来实现导通的

那么到了下个阶段上管开通

这个时候输入电压会直接通过上管

加到开关节点上

这个时候加在开关节点上的

输入电压会迫使我们下管的体二极管

来实现强迫关断

但是体二极管都是有反向恢复的特性

也就是它需要从输入端

给它一个反向恢复的能量

来实现这个体二极管的完全截止

那么这个反向恢复的能量它的环路

实际上就是在我们下面这个环路会体现

也就是它会由输入的电容通过上管

然后经过我们下管的体二极管到

下管的源极

然后最后再回到输入电容的负极之间

所以说我们经常看到振铃的现象

基本上就是由这个环路

它出现了巨大的 di/dt 来产生的

那么唯一能做的就是

能够把这个环路当中

所寄生的电感

能够把它尽量降到最低

使那个 Ldi/dt 做到最小

因为能够把 L 做小的话

那么相应地

它所产生的这个振铃的电压

会相应地减少

所以说根据我们之前这个分析的话

我们首先第一个要确保的是

要保证这个环路面积要做到最小

也就是说上管跟下管

以及跟输入电容之间这个环路要做到最小

然后第二个

我们同样也不能忽略掉我们这个地平面

比如说在这个环路里面有下管的源极

然后到输入电容的地之间

虽然说在网络上这都是属于地平面

但是我们依然要检查

保证这两点之间有非常小的低阻抗的通路

来确保我们不会有很大的寄生电感

第三个如果这个时候在开关节点上

有个很大的振铃

很明显这个时候

其实这些振铃

都是由一些非常高频的信号所叠加组成的

那么这个时候

对整个系统的 EMI 的特性也会影响非常大

第四个同样道理

就是在我们开关节点上

有个非常大的振铃现象

如果把这个振铃信号分解来看

那么都是一些兆赫兹级的一些信号

它有传导的也会产生一些辐射干扰

那么要确保一些非常敏感的一些信号电路

包括一些反馈

这种包括一些补偿电路

也包括一些检测的一些电路

尽量要远离我们这个开关节点

最后一点

如果说我们无法通过 Layout 做优化的情况下

我们可以采取一些被动的抑制方法

来控制这个开关节点的振铃

比如说我们可以加一个 RC

并联在我们下管的漏极和源极之间

来抑制这个开关振铃的上升跟下降的幅度

同样的话

我们也可以通过在上管

或者是在 BUCK 电路的

上管驱动的自举电容上串一个电阻

来抑制我们上管的开通速度

这些都可以比较有效地

改善我们振铃的幅度

第八个问题

那么这里是两块板子

这两个板上它的输入输出

包括它的上面用的芯片

包括上面用的器件都是完全一样的

但是我们看在 Board A上

它实际上最大温度就会有 62.6 度

那么在 Board B 上

它的温度最高却只有 52.2 度

我们翻到它的表层来看

如果说看它那个表层温度的话

我们可以看到对 Board A 来说

它的表层的最大温度芯片那块

有 81 度的温度

那么对于 Board B 来说

它的表层的温度却只有 67 度

那么这两个板子它的主要区别在哪里

从我们对 Board A 跟 B 之间的

热成像的结果来看

特别是对于 BOTTOM 面

那么看 BOTTOM 面来说

Board A 很明显的

它比 Board B 它的散热的面积要小很多

特别是在于 Board A 的左下的方向

它基本上它热没有有效的导出去

在 Board B 上

它在芯片周围附近

这个热度有比较明显的传导

同样我们也发现对于 Board B 来说

它的底层基本上是没有

走一些很多的走线

也就是它是有很完整的地平面

在 BOTTOM 层

那么这样子

对它的散热也是非常有帮助的

那么对我们 Layout 来说

怎么有效的散出我们芯片上的热损耗呢

首先我们必须有

很大的地平面来给芯片来做散热

然后我们也可以在芯片的

热焊盘下面打一些过孔

能够把热导到其它层上

我们可以看到下面这个图里面

假如说最上面这块黑色的是 IC 的芯片

那么它肚皮下面它有很大的热焊盘

首先我们在芯片的热焊盘下面

可以多打几个过孔

通着过孔把热焊盘

上面的热量导到其它的层上去

那可能是导到内层

也有可能是导到底层

那么如果说热是能够有效的导到底层的话

那么底层也要保持很大的地平面的话

那么这个面积越大的话

就更加有利于热的散热

因为面积越大的话

实际上底面的话

就能够有效的

对我们整个空气来进行辐射散热

对于顶层来说

顶层的话

我们也其实是有一部分热

会通过芯片的每个 Pin 上会能够导出去

我们需要在芯片的每个 Pin 上

尽量地引一些铜线出去

然后也能够在顶层上实现一些散热

所以说对于我们一颗芯片来说

它的大部分热量

大概有百分之七八十的热量

都是通过我们芯片的热焊盘来散发出去的

我们这个时候要做的最重要的事情

就是尽量确保 PCB 上

能够有足够大的空间以及容量

能够把我们芯片的热焊盘的热可以导出去

所以说我们实际上

在我们做芯片的覆铜的时候

就是在做封装的时候

会在我们芯片的热焊盘下面

都会多打几个过孔来确保这个热量

能够及时的导到其它层上

另外比较常见问题是

大家肯定很想知道

我们在做这个设计的时候

我们芯片里面的结温温度

到底达到了多少度

因为我们芯片可能是 125 度的额定温度

那么我们这个时候在

我们带满载的时候

在最恶劣的情况下

我们芯片的结温到底有到多少度

那么基本上常见的我们的一种测试方法

可能会用热成像仪

来扫我们芯片的壳温

或者是用热电偶接触在芯片的壳上

那么其实这两种测试方法

虽然都说比较有效

但实际上它们测试的都是芯片的壳温

那么从芯片结温到壳温

始终还是有热阻存在的

我们在这里

就给大家提供一种新的测试方法

如果大家真实的想知道

我们芯片的里面

结温那个带是多少温度的话

可以采用一种方法

我们通过测量芯片内部的

寄生体二极管的温度来做判断

在我们很多芯片里面

其实都有 PGOOD 脚

来作为整个系统的指示脚

那么 PGOOD 脚一般内置的都是

开漏的 MOS 管

那么这个开漏的 MOS 管

它实际上就会有寄生的体二极管

那么我们这个时候

就可以通过外部加一个外置的电流源

然后流过这个寄生体二极管

再测量这个寄生体二极管的压降

然后来判断出结温到底是多少度

因为我们这个 PGOOD 上

它的这个寄生二极管

它都是跟其它电路是挨在一起的

所以能够测量出这个

PGOOD 脚上这个寄生二极管的温度

也就是能够准确测量出

我们整个芯片里面的

真正的结温是多少度

右下角这个图实际上

就给出了我们通过测量

这个寄生体二极管的压降来得到温度的曲线图

那如果大家对这个测试方法还有更多兴趣的话

也可以找我们的 Application note

然后来找一些更多的详细的资料

那么第七个问题

我们要讨论的是

我们在开关节点的振铃的现象

我们可以看到下面这张图里面

这是大概十多伏输入的一个 BUCK 电路

我们看到开关节点上的电压

会有很明显的往上振的过程

而且在电压往下回来之后

也会有大概会有五六个振铃出现

那么它最大的 Peak 电压

相对我们平台电压大概会有十伏的值

很明显的这个点的开关振荡是非常严重的

一般来说这种开关振铃严重

都跟 PCB Layout 会有非常大的关系

所以我们这个时候

看一下它的 PCB 的布局的情况

下面这个图就显示了这个 BUCK 变换器

它的基本的布局情况

从 PCB 的布局来看

我们可以看到很明显的现象

在芯片周围没有看到任何有关的去耦电容

因为对我们这个芯片来说

它是集成了 BUCK 的上管和下管的开关管的

所以说在这 BUCK 的上管和下管附近

都没有看到有任何电容

放在这个附近来实现去耦

那么这个时候我们可以做对比的实验

我们在 C1 这个位置放一颗 10uF 的电容

那么我们会从之前

完全没有近距离的去耦电容

在 C1 这个位置放了一个去耦电容

那么我们可以看到振铃

就是开关节点的振铃

这里明显的就是比之前会小了

那么最大的震动幅度

也是由 10V 变成 8V

如果这个时候我们把 C1

就是这个1206 10uF 电容再往右

就是离芯片更近的地方挪动

把它移到 C3 的位置上

同时的话我们在 C6 的位置上

放一颗 0.1uF 0603 的小的瓷片电容

我们可以看到在这个振铃上

电压又有了更大的改进

那会由之前的 8V 变成现在的 5V 的情况

对于我们这颗芯片来说

它实际上它的 Pin 上它是由左右两端

它是有输入电压作为主要的功率的输入口

那么它实际上是左右对称的 Pin 脚分布

那么这个时候我们在图 3 里面

它实际上只是在它的左边

放了 C3 跟 C6

也就是 10uF 跟 0.1uF 的电容

那么这个时候如果说我们在它的右边

在 C8 的位置也放一个 10uF 电容

同时也在靠近芯片的位置

也放一个 0.1uF 小电容

那么就实现左右两端的

输入 Pin 上都有一个去耦电容

我们可以看到这个时候

开关节点上的波形明显有了巨大的改善

那么从之前的 10V 变成 8V 变成 5V

那么最后我们通过这个左右对称的放置

就变成振铃只有最大 2V 的 Peak 电压

所以说出现了这种情况

我们首先就要必须要明白

我们这个振铃

它的产生的基本的原理

我们用这个图实际上是显示了

我们整个 BUCK 电路的基本的工作模态

我们这条红色的框

是当我们上管开通的时候

它实际上是由输入电容通过上管

然后经过输出电感 输出电容

然后通过地回路来形成电流回路的

当我们上管关断之后

那么下管开通

那么这个时候就实际上是输出电感

那么通过输出电容

然后对地然后再经过同步整流管

来形成续流的回路

那么我们可以从这个开关节点上

振铃的时序上来看

这个振铃一般都是

发生在上管开通的上升沿的时间

那么我们先看看上管开通之前

整个电路的工作情况

上管开始之前我们同步整流管

这个时候是处于工作状态

也就是会处于我们这个

蓝色的续流的状态

那么芯片知道上管将要开通了

这个时候会提前先关断下管

这个时候我们下管被关断之后

因为我们电感电流是不能发生突变

这个时候电感电流依然会保持

跟之前的一样的流动方向

那么这个时候电感电流会通过输出电容

通过地然后流经下管的体二极管

然后回到我们电感来形成环流

那么这个时候就实际上电感电流

它实际上是通过同步整流管的

体二极管来实现导通的

那么到了下个阶段上管开通

这个时候输入电压会直接通过上管

加到开关节点上

这个时候加在开关节点上的

输入电压会迫使我们下管的体二极管

来实现强迫关断

但是体二极管都是有反向恢复的特性

也就是它需要从输入端

给它一个反向恢复的能量

来实现这个体二极管的完全截止

那么这个反向恢复的能量它的环路

实际上就是在我们下面这个环路会体现

也就是它会由输入的电容通过上管

然后经过我们下管的体二极管到

下管的源极

然后最后再回到输入电容的负极之间

所以说我们经常看到振铃的现象

基本上就是由这个环路

它出现了巨大的 di/dt 来产生的

那么唯一能做的就是

能够把这个环路当中

所寄生的电感

能够把它尽量降到最低

使那个 Ldi/dt 做到最小

因为能够把 L 做小的话

那么相应地

它所产生的这个振铃的电压

会相应地减少

所以说根据我们之前这个分析的话

我们首先第一个要确保的是

要保证这个环路面积要做到最小

也就是说上管跟下管

以及跟输入电容之间这个环路要做到最小

然后第二个

我们同样也不能忽略掉我们这个地平面

比如说在这个环路里面有下管的源极

然后到输入电容的地之间

虽然说在网络上这都是属于地平面

但是我们依然要检查

保证这两点之间有非常小的低阻抗的通路

来确保我们不会有很大的寄生电感

第三个如果这个时候在开关节点上

有个很大的振铃

很明显这个时候

其实这些振铃

都是由一些非常高频的信号所叠加组成的

那么这个时候

对整个系统的 EMI 的特性也会影响非常大

第四个同样道理

就是在我们开关节点上

有个非常大的振铃现象

如果把这个振铃信号分解来看

那么都是一些兆赫兹级的一些信号

它有传导的也会产生一些辐射干扰

那么要确保一些非常敏感的一些信号电路

包括一些反馈

这种包括一些补偿电路

也包括一些检测的一些电路

尽量要远离我们这个开关节点

最后一点

如果说我们无法通过 Layout 做优化的情况下

我们可以采取一些被动的抑制方法

来控制这个开关节点的振铃

比如说我们可以加一个 RC

并联在我们下管的漏极和源极之间

来抑制这个开关振铃的上升跟下降的幅度

同样的话

我们也可以通过在上管

或者是在 BUCK 电路的

上管驱动的自举电容上串一个电阻

来抑制我们上管的开通速度

这些都可以比较有效地

改善我们振铃的幅度

第八个问题

那么这里是两块板子

这两个板上它的输入输出

包括它的上面用的芯片

包括上面用的器件都是完全一样的

但是我们看在 Board A上

它实际上最大温度就会有 62.6 度

那么在 Board B 上

它的温度最高却只有 52.2 度

我们翻到它的表层来看

如果说看它那个表层温度的话

我们可以看到对 Board A 来说

它的表层的最大温度芯片那块

有 81 度的温度

那么对于 Board B 来说

它的表层的温度却只有 67 度

那么这两个板子它的主要区别在哪里

从我们对 Board A 跟 B 之间的

热成像的结果来看

特别是对于 BOTTOM 面

那么看 BOTTOM 面来说

Board A 很明显的

它比 Board B 它的散热的面积要小很多

特别是在于 Board A 的左下的方向

它基本上它热没有有效的导出去

在 Board B 上

它在芯片周围附近

这个热度有比较明显的传导

同样我们也发现对于 Board B 来说

它的底层基本上是没有

走一些很多的走线

也就是它是有很完整的地平面

在 BOTTOM 层

那么这样子

对它的散热也是非常有帮助的

那么对我们 Layout 来说

怎么有效的散出我们芯片上的热损耗呢

首先我们必须有

很大的地平面来给芯片来做散热

然后我们也可以在芯片的

热焊盘下面打一些过孔

能够把热导到其它层上

我们可以看到下面这个图里面

假如说最上面这块黑色的是 IC 的芯片

那么它肚皮下面它有很大的热焊盘

首先我们在芯片的热焊盘下面

可以多打几个过孔

通着过孔把热焊盘

上面的热量导到其它的层上去

那可能是导到内层

也有可能是导到底层

那么如果说热是能够有效的导到底层的话

那么底层也要保持很大的地平面的话

那么这个面积越大的话

就更加有利于热的散热

因为面积越大的话

实际上底面的话

就能够有效的

对我们整个空气来进行辐射散热

对于顶层来说

顶层的话

我们也其实是有一部分热

会通过芯片的每个 Pin 上会能够导出去

我们需要在芯片的每个 Pin 上

尽量地引一些铜线出去

然后也能够在顶层上实现一些散热

所以说对于我们一颗芯片来说

它的大部分热量

大概有百分之七八十的热量

都是通过我们芯片的热焊盘来散发出去的

我们这个时候要做的最重要的事情

就是尽量确保 PCB 上

能够有足够大的空间以及容量

能够把我们芯片的热焊盘的热可以导出去

所以说我们实际上

在我们做芯片的覆铜的时候

就是在做封装的时候

会在我们芯片的热焊盘下面

都会多打几个过孔来确保这个热量

能够及时的导到其它层上

另外比较常见问题是

大家肯定很想知道

我们在做这个设计的时候

我们芯片里面的结温温度

到底达到了多少度

因为我们芯片可能是 125 度的额定温度

那么我们这个时候在

我们带满载的时候

在最恶劣的情况下

我们芯片的结温到底有到多少度

那么基本上常见的我们的一种测试方法

可能会用热成像仪

来扫我们芯片的壳温

或者是用热电偶接触在芯片的壳上

那么其实这两种测试方法

虽然都说比较有效

但实际上它们测试的都是芯片的壳温

那么从芯片结温到壳温

始终还是有热阻存在的

我们在这里

就给大家提供一种新的测试方法

如果大家真实的想知道

我们芯片的里面

结温那个带是多少温度的话

可以采用一种方法

我们通过测量芯片内部的

寄生体二极管的温度来做判断

在我们很多芯片里面

其实都有 PGOOD 脚

来作为整个系统的指示脚

那么 PGOOD 脚一般内置的都是

开漏的 MOS 管

那么这个开漏的 MOS 管

它实际上就会有寄生的体二极管

那么我们这个时候

就可以通过外部加一个外置的电流源

然后流过这个寄生体二极管

再测量这个寄生体二极管的压降

然后来判断出结温到底是多少度

因为我们这个 PGOOD 上

它的这个寄生二极管

它都是跟其它电路是挨在一起的

所以能够测量出这个

PGOOD 脚上这个寄生二极管的温度

也就是能够准确测量出

我们整个芯片里面的

真正的结温是多少度

右下角这个图实际上

就给出了我们通过测量

这个寄生体二极管的压降来得到温度的曲线图

那如果大家对这个测试方法还有更多兴趣的话

也可以找我们的 Application note

然后来找一些更多的详细的资料