2022-07-14_dcdc效率

目标：设计出一款具有行业竞争力的手机主板

1、手机主板电源部分

2、手机主板关键信号线

3、应力和生产相关经验指导

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内容1：结合PCB和PMU工作原理，设计手机电源部分

PMU单元作用：

PMU（power management unit）电池管理单元，是一种电压转换模块，比如将5V电压转换成3.3V或1.8V等，通常PMU包含DCDC（开关电源）和LDO，DCDC又包括BOOST（升压）和BUCK（降压），LDO也是降压模块，LDO和BUCK电路相比，电压转化效率会低很多，但时延和噪声相对较小，BOOST和BUCK升降幅度有限。

BOOST电路工作原理：

（图片一来源于互联网）

BOOST电路等效模型如上图所示：通过一个GPIO控制3极管开关，当三极管断开时，Vout=Vin，当三极管闭合时，等效电路如下图

（图片二来源于互联网）

此时，电感与地短路，在Vin的驱动下电感上的电流呈指数形式增加，输出电容一端，由于二极管的作用，导致电容两端电压依然是Vout。电感充电一段时间后断开三极管，如下图：

（图片三来源于互联网）

由于电感上的电流无法瞬时变化，在三极管断开瞬间，电感上的电流依然会通过二极管流向Vout给电容充电，因此电容两端电压Vout会大于Vin，完成升压过程。

由于是通过电感的充放电完成电压的变化，而电感是非耗能原件，这就保证了电源较高的转化效率。boost电路工作原理_boost电路参数计算_boost电路和buck电路区别-与非网

BUCK电路：

BUCK电路是降压电路，工作原理图如下图所示：

（图片四来源于互联网）

Q1导通时，Vin对L1充电L1上电流逐渐增大，并向C1充电，使得电压升高，Q1断开时，L1和C1充放电，维持Vout。Q1导通时，L1极性是左正右负，Q1断开时L1是左负又正，L1电压变化最大，布局优先级要大于C1，同理，也要测C1到芯片的寄生电感。Buck电路工作原理以及三种工作模式分析 - 模拟技术 - 电子发烧友网

电荷泵

电荷泵是一种DC/DC 的电压转换电路，在实际应 用中电荷泵可以将输入电压的相位反转即正电压输出为 负电压，或者将输入电压的大小增大甚至翻倍。工作原理图如下图所示：

 首先，SW1、SW2闭合，SW3、SW4断开，电源给电容C1充电，稳态后电容两端电压为VIN，此时等效电路如下图所示：

稳态后将SW1、SW2断开，SW3、SW4闭合，此时C1负极连接至VIN正极，C1正极电压即VOUT应为2倍VIN，完成生压操作，如下图所示。

 

通过调整占空比来调节输出电压，占空比越大，SW1、SW2的闭合时间越长，输出电压越高，但提供的电流就越小（因为电容的放电时间长），M81项目的背光驱动用的电荷泵进行升压，可以将5V电压升至70V附近。

电荷泵转换成负电压的电路原理图如下图所示：

首先，S1、S2闭合，U1向C1充电，稳态后C1两端电压为U1，如下图绿色部分所示；

 再将S1、S2断开，S3、S4闭合，C1向C2充电如上图红色部分所示，利用电容电压无法突变的特性，将C1正极接地，负极即为-U1，完成将正电压转换为负电压的操作。

两种电荷泵工作原理都是利用电容不能突变的特性，突然改变电容的输入电压得到想要的输出电压。因此，在布局时，电容C1要靠近 芯片摆放，降低走线的寄生电感，另外由于电容C1一直在进行充放电操作，一直在产生变化的磁场，该电容应该比较脏，下层尽量留一层地用来屏蔽辐射。它和boost的区别见下表。

DCDC电源的转化效率保守数值也会在90%以上。 

三款DCDC电源转换 

LDO电路：

LDO电路是线性降压电路，工作原理图如下图所示：

（图片四来源于互联网）

当Vout由于负载变化或其他原因电压下降时，两个串联分压电阻两端的电压也会下降，进而A点电压下降，A点的电位和Vref电位相比较，误差放大器会减小它的输出，使得G电位下降，Vs电压不变，进而使得|Vgs|的压差增加，输出电流Isd会增加，输出电流Isd增加就会使得Vout上升，完成一次反馈控制，使得Vout又回到正常电位。

顺着下图绿色箭头指示方向|Vgs|逐渐上升，|Id|跟着|Vgs|上升而上升，而这段区域内不管Vds怎么变换Id基本不变，换句话说，恒流区内，Id只受Vgs控制。Vout和Vin相差越大，LDO的转化效率越低，芯片越热。因此，LDO电路不适合转化压差较大的负载电源。LDO中的MOS是工作在恒流区的。

（图片五来源于互联网）

因为其工作在可变电阻区，又因为其要过比较大的电流，所以会将一部分能量转化成热能，降低电源转换效率。但其输出电流一般要小于DCDC的输出电流，所以在PCB LAYOUT过程中，线宽优先级可以排在DCDC后面。

电源系列1：LDO原理介绍（一） - 知乎

自举电容

场效应管，顾名思义，电压控制电流，输入阻抗大，开关噪声小，适用于信号源电流较小的场景。

三极管是电流控制电流，开关频率特性好，适用于信号源电流大电压小的情况。

为什么用自举电容？

 当Q1导通时，源极与漏极电压相差很小，二极管导通条件为漏极＞栅极＞源极，当需要Q1导通后，由于源极极电压较高，就要求栅极电压高于源极电压。

如上图所示，如果反馈中没有自举电容，那么导通源极和栅极之间的电压就会相等，场效应管截止，截止后，栅极大于源极，再导通，一直不停的关断导通。长时间在MOS的Drink极与Source间通过的是一个N倍于工作频率的高频脉冲，这样的脉冲尖峰在MOS上会产生过大的电压应力，很快MOS管会被损坏。

由于自举电路只是提供一个稍高点的电压，，两端电压变化不大，布局中，自举电容优先级较低。

 自举电路原理分析 - 知乎

内容2：PMU布局

PMU中一般会同时包含DCDC和LDO，由vphpwr供电，其中LDO的输入电源可能是DCDC的输出，DCDC的输出也会直接向CPU供电。首先，输入电容（即连接vphpwr的电容）要靠近芯片摆放，保证输入电源的稳定性；其次DCDC的电感要靠近芯片摆放，原因如之前DCDC工作原理所述；最后摆放LDO的电容，其余控制信号连接的chip件要求最低。

布线：

由于DCDC的输出电流较大，且干扰相对较大，DCDC的优先级要大于LDO，在芯片扇出时，首要原则是用尽量少的层完成BGA的扇出，这个优先级要大于一层走横线，另一层走竖线，主要因为两点：1、第一排PIN走表层，第二排走次表层，如果第三排也走次表层的话就要从第二排的两个孔之间传过去，对于PMU这种电源芯片来说，都要进行阻抗仿真，阻抗很难达到要求；2、一般BGA芯片内部较密集，对于BGA芯片，首要任务是扇出，扇出之后去芯片外部想办法。

由于PMU中DCDC相关引脚分布在芯片的3边，而dcdc的电感要靠近芯片摆放，所以pmu的3边基本会布一圈电感，电感下面尽量不要走线，尤其是信号线。对于2阶的板子，只能vphpwr在次表层（也就是电感下面）连到输入引脚，因为表层摆满器件，第三层走一些信号线。LDO的输出引脚主要集中在芯片一侧，因此，LDO的输出电源最好在三层内扇出，由于LDO的输出较多，也可以在3层顺着信号线的部分扇出一部分。

学习时间：

提示：这里可以添加计划学习的时间

例如：

• 周一至周五晚上 7 点—晚上9点
• 周六上午 9 点-上午 11 点
• 周日下午 3 点-下午 6 点

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学习产出：

思考一：控制三级管开关的方式有两种，一是通过占空比控制，另一种是通过控制频率控制。在负载较小时，通过占空比控制可以得到相对较高的转化效率，因为三极管大部分时间处于断开状态，使得电感充电时对地的无用电流较小；在负载较大时，通过频率控制可以达到较大的转化效率，因为为了释放足够的电流，通过占空比控制时，在一个周期内三极管长时间处于闭合状态，导致对地的无用电流时间增加，而通过频率的话可以将电感充电时间保持在50%。

思考二：关键影响因素。需要比较大的电感和电容完成充放电动作，电感和电容的值与升压幅度和负载大小有关，还与PCB走线有关。由于电感要不停的完成充放电，且电感两端电压变化幅度较大（相比于输出电容），因此，电感要靠近BUCK引脚摆放，电容的优先级要低于电感。

思考三：虽然电容优先级低于电感，但如果电容离得太远，电容和芯片之间的寄生电感会导致电感在放电时不连续，使得输出电压产生文波；另外，由于电容不能及时滤波还会导致电感的开关噪声随之电源影响其他信号，因此需要对电容的寄生电感进行仿真，保证其输出稳定性。而对于环路电感芯片与电容的距离对仿真结果起主导作用，如果差的少也可以试着换个大电容。仿真过程后续更新。

思考四：由于LDO效率会比开关电源低，所以，有些PMU为了提高电源转换效率，DCDC的输出会作为LDO的输入再进行一次电压转换。在LAYOUT过程中优先保证DCDC的输出阻抗。另外，DCDC输出电源和LDO的输出电源有条件的话尽量分开