8個(gè)開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)技巧總結(jié)，圖文+案例，搞定PCB設(shè)計(jì)

對于設(shè)計(jì)人員來說需要了解開關(guān)電源PCB布局所涉及的復(fù)雜技術(shù)細(xì)節(jié)和功能要求。布局決定了對電磁感染（EMI）的敏感性、熱行為、電源完整性和安全性。良好的布局可以確保高效率的功率轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)截?fù)載，同時(shí)允許熱量從布局的熱組件傳輸出去，并且確保電子系統(tǒng)周圍的低噪聲耦合。

布局選擇不當(dāng)會引起在高電流水平下出現(xiàn)的問題，并且隨著輸入到輸出電壓之間的巨大差異變得明顯。不良 PCB 布局常見的電源問題包括高輸出電流時(shí)失調(diào)、輸出和開關(guān)波形噪聲過大以及電路不穩(wěn)定。

這里就來講一下怎么才能構(gòu)建一個(gè)安全可靠的開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)。

一、什么是開關(guān)電源？

開關(guān)模式電源是通過在電抗電路中使用開關(guān)功率元件在大電流整流交流電和高電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。與典型的 LDO 調(diào)節(jié)器相比，這些組件是非線性的，并且通常使用反饋來維持調(diào)節(jié)。在 LDO 中，通過誤差放大器的飽和來維持調(diào)節(jié)，產(chǎn)生在 PCB 布局中被視為熱量的電阻損耗。

雖然從調(diào)節(jié)和效率的角度看，開關(guān)穩(wěn)壓器是首選，但是不方便布局，因?yàn)樯婕暗礁嗟慕M件，其中一些組件還具有特別大的寄生效應(yīng)，如果布置不當(dāng)，可能容易受到噪聲問題的影響。如果要開始電源布局，可以參考下面這個(gè)開關(guān)模式電源PCB布局。

二、開關(guān)電源PCB布局

這里有總結(jié)一些規(guī)律，可以看下面：

通過正確定義接地、在 PCB 布局中放置短路徑以及在 PCB 中安排電隔離部分來保持較低的 EMI，這樣就沒有噪聲耦合。如果布局中存在噪聲、需要包絡(luò)跟蹤等功能或特定噪聲源導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題，需要提供適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵鯡MI 濾波器電路。使用大量的銅來提供遠(yuǎn)離重要組件的散熱路徑，如果需要，可以考慮采用獨(dú)特的外殼設(shè)計(jì)，以及熱組件上的散熱器或風(fēng)扇。放置快速開關(guān)、高電流電路，如 MOSFET 陣列，以便在開關(guān)事件期間設(shè)計(jì)中沒有寄生振蕩。

三、定義接地

第一個(gè)要考慮的開關(guān)模式電源 PCB 布局是如何在布局中定義接地。在設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路時(shí)，請記住存在五個(gè)接地點(diǎn)，這些可以分成不同的導(dǎo)體以確保電流隔離。主要是以下：

輸入大電流源地輸入大電流電流回路接地輸出大電流整流地輸出大電流負(fù)載地低電平控制地

接地連接中的每一個(gè)都可能存在于物理上獨(dú)立的導(dǎo)體中，具體取決于轉(zhuǎn)換器、整流器或穩(wěn)壓器電路中的電流隔離需求，如果接地電容耦合，電源電路可能會產(chǎn)生共模噪聲，例如通過附近的導(dǎo)電外殼通常會發(fā)生這種情況。

PCB中的接地區(qū)域應(yīng)在隔離元件的每一側(cè)明確定義，例如：如果出于某種原因，接地確實(shí)需要橋接用來哦消除一些直流偏移，Y級電容是最佳選擇，因?yàn)榭梢蕴峁└哳l濾波并消除接地區(qū)域之間的直流偏移。

四、Y 級電容可用于在某些開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中橋接接地

每個(gè)大電流接地都用作電流環(huán)路的一個(gè)分支，但其布局應(yīng)為電流提供低阻抗返回路徑。這可能需要多個(gè)通孔回到接地層，以允許大電流和低等效電感。

這些點(diǎn)和它們相對于系統(tǒng)接地的電位成為測量電路不同點(diǎn)之間傳導(dǎo)的直流和交流信號的點(diǎn)。由于需要防止大電流交流接地的噪聲逸出，因此適當(dāng)?shù)臑V波電容的負(fù)極端子用作大電流接地的連接點(diǎn)。

定義地面區(qū)域的最佳做法是使用大平面或多邊形澆筑。這些區(qū)域提供低阻抗路徑以消散直流輸出的噪聲，并且它們可以處理高返回電流。它們還在需要時(shí)提供遠(yuǎn)離重要組件的熱傳輸路徑。在兩側(cè)放置接地層可吸收輻射 EMI、降低噪聲并減少接地環(huán)路誤差。再用作靜電屏蔽并消散渦流中的輻射 EMI 時(shí)，接地層還將電源走線和電源層組件與信號層組件分開。

特別是在使用開關(guān)電源時(shí)，設(shè)計(jì)中的接地區(qū)域可以根據(jù)其功能賦予多個(gè)名稱。在設(shè)計(jì)中定義接地區(qū)域時(shí)要小心，并確保將它們正確連接在一起。接地層在電源 PCB 布局之外的系統(tǒng)中很重要。確保在不影響裝配的情況下將連接定義為低阻抗。共模噪聲和傳導(dǎo)紋波是 PCB 布局中的主要噪聲源，當(dāng)噪聲非常大時(shí)，它們會導(dǎo)致設(shè)計(jì)無法通過 EMI 測試。

電源和接地層提供低阻抗連接，同時(shí)提供遠(yuǎn)離系統(tǒng)重要部分的散熱路徑。

PCB布局

接地是開始設(shè)計(jì)的重要位置，因?yàn)樗鼘Q定 PCB 布局的抗噪性和可布線性。然而，這并不是電源設(shè)計(jì)中的唯一考慮因素。開關(guān)動作和 EMI 抑制內(nèi)置于電源中，需要在 PCB 中明確定義。

五、在哪里進(jìn)行接地連接？

開關(guān)電源控制器精確調(diào)節(jié)輸出電壓的能力取決于低電平控制地的連接。

當(dāng)你使用集成電路、輸入電容、輸出電容和輸出二極管時(shí)，請確保組件連接到接地層。接地連接到控制 IC 及其相關(guān)電路測量交流電流、直流電流、輸出電壓和其他主要參數(shù)的點(diǎn)。將低電平接地連接到電流檢測電阻器或輸出分壓器的下側(cè)可防止控制電路檢測共模噪聲。

六、設(shè)計(jì)開關(guān)動作

開關(guān)電源通過在截止工作狀態(tài)和飽和工作狀態(tài)之間快速切換傳輸單元并向輸出負(fù)載提供恒定功率來工作。截止時(shí)，傳輸單元兩端存在高電壓，但沒有電流流動。飽和時(shí)，高電流流過傳輸單元，壓降非常小。由于半導(dǎo)體開關(guān)從直流輸入電壓產(chǎn)生交流電壓，因此開關(guān)電源可以使用變壓器升高或降低電壓，然后在輸出端將電壓過濾回直流。

脈寬調(diào)制 (PWM) 開關(guān)電源在正向模式或升壓模式下運(yùn)行。正向模式電源在輸出端有一個(gè) LC 濾波器，它根據(jù)從濾波器獲得的輸出的伏特時(shí)間平均值創(chuàng)建直流輸出電壓。為了控制信號的電壓時(shí)間平均值，開關(guān)電源控制器改變輸入矩形電壓的占空比。

七、降壓轉(zhuǎn)換器與升壓轉(zhuǎn)換器

當(dāng)電源開關(guān)打開時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器模式電源在輸入電壓源兩端直接連接一個(gè)電感。電感電流從零開始增加并在關(guān)閉電源開關(guān)的同時(shí)達(dá)到峰值。輸出整流器鉗位電感輸出電壓并防止電壓超過電源輸出電壓。當(dāng)存儲在電感磁芯中的能量傳遞到輸出電容時(shí)，電感的開關(guān)端子回落到輸入電壓電平。

同時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器模式電源使用相同的組件，但采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以將電感的反電動勢鉗制在低于輸入電壓的水平。

開關(guān)動作提供與升壓轉(zhuǎn)換器相同的效果，其中輸出電流振蕩以與充電/放電電容器競爭，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。兩種類型的穩(wěn)壓器/轉(zhuǎn)換器拓?fù)涠紩试S開關(guān)噪聲傳播到設(shè)計(jì)中的輸出端口，這可以看作是輸出上的高頻紋波。

降壓和升壓轉(zhuǎn)換器布局可以承載大電流，需要大的多邊形來容納熱量并防止功率損耗。

PCB設(shè)計(jì)

八、電源布線有助于確保低噪音運(yùn)行

開關(guān)電源傳導(dǎo)高頻噪聲，直到噪聲頻率達(dá)到開關(guān)頻率的大約 100 倍。然后，噪聲頻率以每十年 -20 至 -40 dB 的速率下降。由于開關(guān)穩(wěn)壓器在“開”和“關(guān)”電源狀態(tài)下運(yùn)行，因此具有銳邊沿的大電流脈沖在開關(guān)電源電路中流動，從而產(chǎn)生 EMI。ON 和 OFF 電源狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生 EMI，如果電源布局中的電流環(huán)路太大，可能會在系統(tǒng)的其他地方引起 EMI。開關(guān)電源電路由電源開關(guān)回路和輸出整流器回路組成，需要正確布線以防止噪聲過大。

布置電源時(shí)，要特別注意回路的周長和走線的長度和寬度。保持環(huán)路周長較小可以消除環(huán)路作為低頻噪聲天線工作的可能性。從電路效率的角度來看，更寬的走線還可以為電源開關(guān)和整流器提供額外的散熱。你可以使用主動布線引擎來實(shí)現(xiàn)人工布線，可以讓你的組件以允許開關(guān)電流環(huán)路在同一方向上傳導(dǎo)。由于電流回路沿相同方向傳導(dǎo)，控制電路耦合到布局中的特定點(diǎn)。因此，磁場不能沿著位于兩個(gè)半周期之間的跡線反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生輻射 EMI。

你可以使用PCB設(shè)計(jì)工具輕松地為高電流/高壓線放置多邊形，或?yàn)閿?shù)據(jù)和控制線放置更細(xì)的走線。在進(jìn)行電源布局時(shí)，處理高開關(guān)電流的走線要短、直且粗。IPC 標(biāo)準(zhǔn)可用于計(jì)算推薦走線寬度，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最小寬度為每安培 15 密耳。開關(guān)電源中的 EMI 濾波器可抑制由直流輸入和輸出布線中傳導(dǎo)的高頻電流引起的高頻噪聲。

此 PCB 布局中的組件保持靠近并使用短而直接的走線進(jìn)行布線。

SMPS 交流電壓節(jié)點(diǎn)的 PCB 布局技巧

根據(jù) SMPS 配置，交流電壓節(jié)點(diǎn)存在于功率 MOSFET 的漏極或 BJT 的集電極以及輸出整流器的陽極。這些節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)都可以具有高交流電壓。例如，MOSFET 漏極處的峰峰值交流電壓可以測量輸入電壓的一到兩倍。排水管通過絕緣體螺栓連接到散熱器，接地的散熱器為電容耦合噪聲提供了路徑。

表面貼裝環(huán)境的電容值較小，但會將噪聲耦合到敏感信號中。由于這些因素，還需要解決交流節(jié)點(diǎn)電壓電容耦合到散熱器或相鄰接地層的可能性。在布置表面貼裝 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，使節(jié)點(diǎn)足夠大，以用作電源開關(guān)或整流器的散熱器。一些多層設(shè)計(jì)通過使 AC 節(jié)點(diǎn)下方的所有層與 AC 節(jié)點(diǎn)相同并使用鍍通孔連接這些層來增加設(shè)計(jì)的熱質(zhì)量。