非隔離式開(kāi)關(guān)電源的PCB布局全攻略

一個(gè)良好的布局設(shè)計(jì)可優(yōu)化效率，減緩熱應(yīng)力并盡量小走線與元件之間噪聲作用。這切都源于設(shè)計(jì)人員對(duì)電中流傳導(dǎo)路徑以及信號(hào)的理解。

當(dāng)一塊原型電源板首次加時(shí)，最好的情況 是它不僅能工作而且還安靜、發(fā)熱低。然這種并不多見(jiàn)。

開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是 “不穩(wěn)定 ”的開(kāi)關(guān)波形。有些時(shí)候，抖動(dòng)處于聲段磁性元件會(huì)產(chǎn)生 出音頻噪聲。如果問(wèn)題在印刷電路板的布局上， 要找原因可能會(huì)很困難此開(kāi)關(guān)電源 設(shè)計(jì)初期的 正確 PCB布局 就非常關(guān)鍵。

電源設(shè)計(jì) 者要很好地理解技術(shù)細(xì)節(jié)，以及最終產(chǎn)品的功能需求。因此從電 路板設(shè)計(jì)項(xiàng)目一開(kāi)始源設(shè)計(jì)者應(yīng)就關(guān)鍵性電布局，與 PCB布局設(shè)計(jì)人員展開(kāi)密切合作。

一個(gè)好的布局設(shè)計(jì)可優(yōu)化電源效率，減緩熱應(yīng)力;更重要的是，它最大限度地減小了噪聲，以及走線與元件之間的相互作用。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，設(shè)計(jì)者必須了解開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的電流傳導(dǎo)路徑以及信號(hào)流。要實(shí)現(xiàn)非隔離開(kāi)關(guān)電源的正確布局設(shè)計(jì)，務(wù)必牢記以下這些設(shè)計(jì)要素。

2.布局規(guī)劃

對(duì)一塊大電路板上的嵌入dc/dc電源，要獲得最佳的電壓調(diào)節(jié)、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)效率，就要使電源輸出靠近負(fù)載器件，盡量減少PCB走線上的互連阻抗和傳導(dǎo)壓降。確保有良好的空氣流，限制熱應(yīng)力;如果能采用強(qiáng)制氣冷措施，則要將電源靠近風(fēng)扇位置。

另外，大型無(wú)源元件(如電感和電解電容)均不得阻擋氣流通過(guò)低矮的表面封裝半導(dǎo)體元件，如功率MOSFET或PWM控制器。為防止開(kāi)關(guān)噪聲干擾到系統(tǒng)中的模擬信號(hào)，應(yīng)盡可能避免在電源下方布放敏感信號(hào)線;否則，就需要在電源層和小信號(hào)層之間放置一個(gè)內(nèi)部接地層，用做屏蔽。

關(guān)鍵是要在系統(tǒng)早期設(shè)計(jì)和規(guī)劃階段，就籌劃好電源的位置，以及對(duì)電路板空間的需求。有時(shí)設(shè)計(jì)者會(huì)無(wú)視這種忠告，而把關(guān)注點(diǎn)放在大型系統(tǒng)板上那些更“重要”或“讓人興奮”的電路。電源管理被看作事后工作，隨便把電源放在電路板上的多余空間上，這種做法對(duì)高效率而可靠的電源設(shè)計(jì)十分不利。

對(duì)于多層板，很好的方法是在大電流的功率元件層與敏感的小信號(hào)走線層之間布放直流地或直流輸入/輸出電壓層。地層或直流電壓層提供了屏蔽小信號(hào)走線的交流地，使其免受高噪聲功率走線和功率元件的干擾。

作為一般規(guī)則，多層PCB板的接地層或直流電壓層均不應(yīng)被分隔開(kāi)。如果這種分隔不可避免，就要盡量減少這些層上走線的數(shù)量和長(zhǎng)度，并且走線的布放要與大電流保持相同的方向，使影響最小化。

圖1a和1c分別是六層和四層開(kāi)關(guān)電源PCB的不良層結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)將小信號(hào)層夾在大電流功率層和地層之間，因此增加了大電流/電壓功率層與模擬小信號(hào)層之間耦合的電容噪聲。

圖中的1b和1d則分別是六層和四層PCB設(shè)計(jì)的良好結(jié)構(gòu)，有助于最大限度減少層間耦合噪聲，地層用于屏蔽小信號(hào)層。要點(diǎn)是：一定要挨著外側(cè)功率級(jí)層放一個(gè)接地層，外部大電流的功率層要使用厚銅箔，盡量減少PCB傳導(dǎo)損耗和熱阻。

3.功率級(jí)的布局

開(kāi)關(guān)電源電路可以分為功率級(jí)電路和小信號(hào)控制電路兩部分。功率級(jí)電路包含用于傳輸大電流的元件，一般情況下，要首先布放這些元件，然后在布局的一些特定點(diǎn)上布放小信號(hào)控制電路。

大電流走線應(yīng)短而寬，盡量減少PCB的電感、電阻和壓降。對(duì)于那些有高di/dt脈沖電流的走線，這方面尤其重要。

圖2給出了一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器中的連續(xù)電流路徑和脈沖電流路徑，實(shí)線表示連續(xù)電流路徑，虛線代表脈沖(開(kāi)關(guān))電流路徑。脈沖電流路徑包括連接到下列元件上的走線：輸入去耦陶瓷電容CHF;上部控制FET QT;以及下部同步FET QB，還有選接的并聯(lián)肖特基二極管。

圖3a給出了高di/dt電流路徑中的PCB寄生電感。由于存在寄生電感，因此脈沖電流路徑不僅會(huì)輻射磁場(chǎng)，而且會(huì)在PCB走線和MOSFET上產(chǎn)生大的電壓振鈴和尖刺。為盡量減小PCB電感，脈沖電流回路(所謂熱回路)布放時(shí)要有最小的圓周，其走線要短而寬。

高頻去耦電容CHF應(yīng)為0.1μF~10μF，X5R或X7R電介質(zhì)的陶瓷電容，它有極低的ESL(有效串聯(lián)電感)和ESR(等效串聯(lián)電阻)。較大的電容電介質(zhì)(如Y5V)可能使電容值在不同電壓和溫度下有大的下降，因此不是CHF的最佳材料。

圖3b為降壓轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵脈沖電流回路提供了一個(gè)布局例子。為了限制電阻壓降和過(guò)孔數(shù)量，功率元件都布放在電路板的同一面，功率走線也都布在同一層上。當(dāng)需要將某根電源線走到其它層時(shí)，要選擇在連續(xù)電流路徑中的一根走線。當(dāng)用過(guò)孔連接大電流回路中的PCB層時(shí)，要使用多個(gè)過(guò)孔，盡量減小阻抗。

圖4顯示的是升壓轉(zhuǎn)換器中的連續(xù)電流回路與脈沖電流回路。此時(shí)，應(yīng)在靠近MOSFET QB與升壓二極管D的輸出端放置高頻陶瓷電容CHF.

圖5是升壓轉(zhuǎn)換器中脈沖電流回路的一個(gè)布局例子。此時(shí)關(guān)鍵在于盡量減小由開(kāi)關(guān)管QB、整流二極管D和高頻輸出電容CHF形成的回路。

圖5，本圖顯示的是升壓轉(zhuǎn)換器中的熱回路與寄生PCB電感(a);為減少熱回路面積而建議采用的布局(b)。

圖6和圖7(略)提供了一個(gè)同步降壓電路的例子，它強(qiáng)調(diào)了去耦電容的重要性。圖6a是一個(gè)雙相12VIN、2.5VOUT/30A(最大值)的同步降壓電源，使用了LTC3729雙相單VOUT控制器IC.在無(wú)負(fù)載時(shí)，開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)SW1和SW2的波形以及輸出電感電流都是穩(wěn)定的(圖6b)。但如果負(fù)載電流超過(guò)13A，SW1結(jié)點(diǎn)的波形就開(kāi)始丟失周期。負(fù)載電流更高時(shí)，問(wèn)題會(huì)更惡化(圖6c)。

在各個(gè)通道的輸入端增加兩只1μF的高頻陶瓷電容，就可以解決這個(gè)問(wèn)題，電容隔離開(kāi)了每個(gè)通道的熱回路面積，并使之最小化。即使在高達(dá)30A的最大負(fù)載電流下，開(kāi)關(guān)波形仍很穩(wěn)定。

4.高DV/DT開(kāi)關(guān)區(qū)

圖2和圖4中，在VIN(或VOUT)與地之間的SW電壓擺幅有高的dv/dt速率。這個(gè)結(jié)點(diǎn)上有豐富的高頻噪聲分量，是一個(gè)強(qiáng)大的EMI噪聲源。為了盡量減小開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)與其它噪聲敏感走線之間的耦合電容，你可能會(huì)讓SW銅箔面積盡可能小。但是，為了傳導(dǎo)大的電感電流，并且為功率MOSFET管提供散熱區(qū)，SW結(jié)點(diǎn)的PCB區(qū)域又不能夠太小。一般建議在開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)下布放一個(gè)接地銅箔區(qū)，提供額外的屏蔽。

如果設(shè)計(jì)中沒(méi)有用于表面安裝功率MOSFET與電感的散熱器，則銅箔區(qū)必須有足夠的散熱面積。對(duì)于直流電壓結(jié)點(diǎn)(如輸入/輸出電壓與電源地)，合理的方法是讓銅箔區(qū)盡可能大。

多過(guò)孔有助于進(jìn)一步降低熱應(yīng)力。要確定高dv/dt開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)的合適銅箔區(qū)面積，就要在盡量減小dv/dt相關(guān)噪聲與提供良好的MOSFET散熱能力兩者間做一個(gè)設(shè)計(jì)平衡。

5.控制電路布局

使控制電路遠(yuǎn)離高噪聲的開(kāi)關(guān)銅箔區(qū)。對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器，好的辦法是將控制電路置于靠近VOUT+端，而對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器，控制電路則要靠近VIN+端，讓功率走線承載連續(xù)電流。

如果空間允許，控制IC與功率MOSFET及電感(它們都是高噪聲高熱量元件)之間要有小的距離(0.5英寸~1英寸)。如果空間緊張，被迫將控制器置于靠近功率MOSFET與電感的位置，則要特別注意用地層或接地走線，將控制電路與功率元件隔離開(kāi)來(lái)。

控制電路應(yīng)有一個(gè)不同于功率級(jí)地的獨(dú)立信號(hào)(模擬)地。如果控制器IC上有獨(dú)立的SGND(信號(hào)地)和PGND(功率地)引腳，則應(yīng)分別布線。對(duì)于集成了MOSFET驅(qū)動(dòng)器的控制IC，小信號(hào)部分的IC引腳應(yīng)使用SGND.

信號(hào)地與功率地之間只需要一個(gè)連接點(diǎn)。合理方法是使信號(hào)地返回到功率地層的一個(gè)干凈點(diǎn)。只在控制器IC下連接兩種接地走線，就可以實(shí)現(xiàn)兩種地。

此焊盤應(yīng)焊到PCB上，以盡量減少電氣阻抗與熱阻。應(yīng)在接地焊盤區(qū)放置多個(gè)過(guò)孔。

6.回路面積與串?dāng)_

兩個(gè)或多個(gè)鄰近導(dǎo)體可以產(chǎn)生容性耦合。一個(gè)導(dǎo)體上的高dv/dt會(huì)通過(guò)寄生電容，在另一個(gè)導(dǎo)體上耦合出電流。為減少功率級(jí)對(duì)控制電路的耦合噪聲，高噪聲的開(kāi)關(guān)走線要遠(yuǎn)離敏感的小信號(hào)走線。如果可能的話，要將高噪聲走線與敏感走線布放在不同的層，并用內(nèi)部地層作為噪聲屏蔽。

空間允許的話，控制IC要距離功率MOSFET和電感有一個(gè)小的距離(0.5英寸~1英寸)，后者既有大噪聲又發(fā)熱。

7.走線寬度的選擇

對(duì)具體的控制器引腳，電流水平和噪聲敏感度都是唯一的，因此，必須為不同信號(hào)選擇特定的走線寬度。通常情況下，小信號(hào)網(wǎng)絡(luò)可以窄些，采用10mil~15mil寬度的走線。大電流網(wǎng)絡(luò)(柵極驅(qū)動(dòng)、VCC以及PGND)則應(yīng)寬一些，具體寬度根據(jù)電流大小定義。