開關(guān)模式電源電路板布局的黃金法則

在設(shè)計(jì)開關(guān)模式電源時(shí)，優(yōu)化電路板布局是一個(gè)重要的方向。合理布局可以確保開關(guān)穩(wěn)壓器保持穩(wěn)定工作，并盡可能降低輻射干擾和傳導(dǎo)干擾(EMI)。這一點(diǎn)電子開發(fā)人員都很清楚。但是，大家并不知道，開關(guān)模式電源的優(yōu)化電路板布局應(yīng)該是什么樣子的。

圖1.ADI LT8640S開關(guān)穩(wěn)壓器的電路板，元件布局緊密，所以電路板布局非常緊湊。

圖1所示為ADI LT8640S評(píng)估板電路。這是一個(gè)降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，支持高達(dá)42V的輸入電壓，可提供高達(dá)6A的輸出電流。所有元件都緊密排列在一起。一般建議將元件盡可能緊密地排列在電路板上。這種說法并無錯(cuò)處，但是，如果目標(biāo)是獲得優(yōu)化電路板布局，可能就未必合適。比如在圖1中，開關(guān)穩(wěn)壓器IC周圍有數(shù)個(gè)(11個(gè))無源元件。

在部署這些無源元件時(shí)，哪些元件應(yīng)該優(yōu)先部署?為什么呢?

在開關(guān)穩(wěn)壓器PCB設(shè)計(jì)中，最重要的原則是：傳輸高開關(guān)電流的走線越短越好。如果能夠成功實(shí)踐這一原則，開關(guān)穩(wěn)壓器電路板的很大部分都能合理布局。

圖2.降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的原理圖，其中電流快速變化的路徑以紅色顯示。

如何在電路板布局中輕松實(shí)現(xiàn)這條黃金法則呢?第一步，找出開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)渲械年P(guān)鍵路徑。在這些關(guān)鍵路徑中，電流會(huì)隨開關(guān)切換而變化。圖2顯示降壓型轉(zhuǎn)換器(降壓拓?fù)?的典型電路。關(guān)鍵路徑以紅色顯示。這些連接線路可能傳輸滿電流，也可能不傳輸電流，具體取決于電源開關(guān)的狀態(tài)。這些路徑越短越好。在降壓型轉(zhuǎn)換器中，輸入電容應(yīng)盡可能靠近開關(guān)穩(wěn)壓器IC的VIN引腳和GND引腳。

圖3.升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的原理圖，其中電流快速變化的路徑以紅色顯示。

圖3顯示升壓拓?fù)潆娐返幕驹韴D。該電路將低壓轉(zhuǎn)換為更高電壓。同樣，電流會(huì)隨電源開關(guān)切換而變化的電流路徑以紅色顯示。需要注意一點(diǎn)，輸入電容的布局位置根本不重要。輸出電容的布局位置才更為關(guān)鍵。它必須盡可能靠近反激二極管(或高側(cè)開關(guān))以及低側(cè)開關(guān)的接地連接。

然后，可以檢測(cè)其他任意開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)?，以了解在切換電源開關(guān)時(shí)，電流如何變化。傳統(tǒng)方法一般是打印出電路，然后用三種不同顏色的彩筆畫出電流路徑。用第一種顏色標(biāo)出導(dǎo)通期間的電流路徑，也就是，電源開關(guān)開啟時(shí)的電流路徑。用第二種顏色標(biāo)出關(guān)斷期間的電流路徑，也就是，電源開關(guān)關(guān)閉時(shí)的電流路徑。最后，用第三種顏色標(biāo)出前面僅以第一種顏色和僅以第二種顏色標(biāo)記過的所有電流路徑。通過這種方式，就可以清晰地看出電流會(huì)隨電源開關(guān)切換而變化的關(guān)鍵路徑。

對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的電路設(shè)計(jì)人員而言，開關(guān)穩(wěn)壓器的電路板布局就像是一種黑魔法。ADI認(rèn)為，其核心法則就是在設(shè)計(jì)電流會(huì)隨開關(guān)切換變化的走線路徑時(shí)，應(yīng)盡可能短，盡可能緊湊。這解釋起來很簡單，很符合邏輯關(guān)系，也是開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化電路板布局的基礎(chǔ)。