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异步Buck升级为同步Buck注意点总结

发布时间:2021-12-29
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阅读人数:10716

1 介绍


随着时代的发展,工业,车载,通信,消费类等产品都提出了小型化,智能化的需求。相应的,对于这些系统中的电源模块提出了小型化的要求。目前,市场上依然存在很多异步Buck电源管理芯片使用的场景,针对这些应用,采用同步Buck电源管理芯片进行升级,可以增加集成度,提升电源效率。然而在升级替换的过程中,需要注意PCB的布局。如果需要不更改PCB布局直接升级替换,需要在元器件选择上有所注意。


本文首先对同步Buck,异步Buck进行介绍,给出同步Buck的PCB布局注意事项,然后结合实例给出替换中可以采取的保证电源正常工作的方法,供工程师参考。



2 同步Buck和异步Buck



1 异步Buck变换器


图 2 同步Buck变换器


图 2所示,异步Buck变换器采用肖特基二极管作为续流管,而同步Buck变换器用MOSFET替代肖特基二极管进行续流,由于MOSFET的导通电阻很低,所以导通损耗较低,而肖特基二极管的损耗为其正向导通压降乘以电流,损耗较大。



表格1 同步Buck和异步Buck优缺点对比

同步Buck

异步Buck

优点

效率高,MOS管导通电阻一般为毫欧级别,以SCT2432为例[ 1],同步整流管导通电阻为50毫欧,流过4A电流时其压降为0.2V,小于二极管压降

价格便宜,同等条件下,肖特基二极管比MOSFET便宜

缺点

1.  成本高,MOS管成本高于肖特基二极管,同时驱动电路也需要成本

2. 控制复杂,需要额外的控制电路保证上下管同步工作

效率低,二极管正向导通压降固定,锗管一般为0.2~0.3V,硅管一般为0.7V。当流经二极管的电流较大时,二极管损耗占比大

适用场景

对效率要求高的应用

输出电压比较高的场景,此时二极管压降占整体电压的比例较小





图 3 SCT2432典型应用原理图



3 同步Buck PCB布局注意事项


图 4和图 5所示,在功率管关断期间,异步Buck通过外置的二极管进行续流,在这个阶段,芯片内部的地受到的干扰较小;而对于同步Buck,在这个阶段,续流电流流经芯片内部的地,芯片内部地受到的干扰大。异步Buck对于续流二极管的开通不需要控制,而同步Buck需要对同步整流MOSFET进行控制,如果地电平不稳定,会影响内部控制电路工作。同时,Buck电路在开关切换时,大的di/dt在PCB的寄生电感上会产生压降,形成谐振,而MOSFET的体二极管的反向恢复特性较差,不能像肖特基二极管那样快速恢复。因此,对于同步Buck的布局,地的设置需要区分模拟地和功率地,两个地实现单点连接。

图 6是SCT2432的EVM布局示例,可以看到,功率器件输入电容,输出电容,和对于异步Buck而言的续流二极管的地共用一块铜皮,这是功率地;模拟配置的外围器件反馈分压电阻,缓起电容等处于同一个地,这是模拟地。两个地只在芯片的GND管脚处单点连接。这样可以有效防止功率地上的变化干扰到模拟电路工作,大大提升了系统稳定性。



图 4 异步Buck变换器工作




 5 同步Buck变换器工作



 6 同步Buck变换器工作


此外,由于同步Buck电源管理芯片将同步MOSFET集成到芯片内部,热更加集中,需要对散热合理规划。首先,将芯片放置在离热源较远的位置;其次,在顶层的地需要足够大,保证散热效果,地层放置地平面,芯片的散热焊盘下面打过孔阵列,保证对地平面的阻抗足够低,推荐采用直径为8mil的过孔。为了保证顶层的地面积足够大,Boot电容的走线可以放置在非顶层。


输出电感放置在离SW管脚近的位置,同时保证两者之间的连接线短而粗。输入的滤波电容放置在离VIN管脚和GND最近的位置,最大化减少寄生参数的影响。




同步Buck直接替换异步Buck工作异常解决方法


在同步Buck替换异步Buck时,存在不改PCB,直接P2P替换的情况。此时,如果PCB布局不合理,是存在替换完无法稳定正常工作的情形的。对于这样的情况,我们可以采取以下几种措施进行尝试,有机会不改PCB也能实现电源正常工作。



 7 不合理布局示例


图 7是一个不合理布局示例,可以看到输入和输出电容分别位于散热焊盘的两边,反馈的地和功率地直接相连,功率地和模拟地没有分离。图 8是在这种布局情况下满负载工作的波形,可以看到输出电压是稳定的,但是SW点的开关波形是不稳定的,电路处于次稳态。


4.1 反馈下分压电阻并联1nF电容


 8 24VIN,5VOUT3.5A输出电流波形


4.1 反馈下分压电阻并联1nF电容


在反馈下分压电阻旁并联1nF对地电容可以提升抗干扰能力,图 9是增加电容后的工作波形,可以发现SW的波形不再存在大小波的情况,工作频率稳定。




 9 增加1nF对地电容后24VIN5VOUT3.5A输出电流波形


4.2 减小反馈分压电阻


如果原有的PCB布局时没有预留下分压电容位置,可以适当减小反馈分压电阻阻值,牺牲部分效率,增加反馈电流,增加反馈网络抗干扰能力,对于稳定系统也有帮助。图 10是分压电阻改为原来的十分之一后的工作波形,表明系统进入稳态。推荐的下分压电阻最小值不要小于1kΩ,否则增加的固定损耗过大,影响电源整体效率。



图 10 将反馈分压电阻从53.6k/10.2k减小为5.36k/1.02k后工作波形

5 总结


本文介绍了同步Buck和异步Buck的结构,对两者的优缺点进行了对比,同步Buck对于提升效率,提升产品效能有较大的作用。同时针对同步Buck替换异步Buck的趋势,详细介绍了PCB布局时的注意事项,最重要的是进行模拟地和功率地的区分,采用单点接地模式。对于不合理PCB布局直接升级替换的情况,给出了增加下分压电阻并联1nF电容和减小分压电阻阻值的方法进行调整,有助于工程师减小工作量,快速实现非同步方案转同步方案。



6 参考


1 SCT2432STER