开关稳压器设计的PCB布局布线

开关稳压器设计的PCB布局布线,PCB design

开关模式电源用于将一个电压转换为另一个电压。这种电源的效率通常很高，因此，在许多应用中，它取代了线性稳压器。

开关频率与开关转换

开关模式电源以一定的开关频率工作。开关频率既可以是固定的(例如在PWM型控制中)，也可以根据某些因素而变化(例如在PFM或迟滞型控制中)。无论何种情况，开关模式电源的工作原理，都在于它有一定的开启时间Ton和一定的关闭时间Toff。图1显示了一个50%占空比的典型开关周期。这意味着，在完整周期T的50%时间里，转换器中有某一电流；在另外50%时间里，转换器中有不同的电流。

图1：开关频率与开关转换。

当我们考虑系统噪声时，实际的开关频率(换言之，周期长度T)并不是很重要。如果它在系统的敏感信号频率范围内，开关频率或其谐波可能会影响系统。但一般而言，开关频率并不是影响系统的最大因素。在开关模式电源中，真正重要的是开关转换的速度。在图1的下半部分，我们可以看到开关转换在时间标度上的放大图。在周期T为2us的时间标度上，对于500kHz PWM开关频率，转换看起来像是一条垂直线，如图1的上半部分所示。但放大后，如图1的下半部分所示，我们可以看到，开关转换通常需要30到90ns的时间。

为什么良好的PCB布局布线非常重要？

每2.5cm PCB走线具有大约20nH的走线电感。确切的电感值取决于走线的厚度、宽度和几何形状，但根据经验，一般取20nH/2.5cm切实可行。假设一个降压稳压器提供5A的输出电流，我们将会看到电流从0A切换到5A。当开关电流很大且开关转换时间很短时，我们可以利用下面的公式，计算微小的走线电感会产生多大的电压偏移：

假设走线长2.5cm(20nH)，输出电流为5A(降压稳压器中的5A开关电流)，MOSFET功率开关的转换时间为30ns，那么电压偏移将是3.33V。

由此可见，仅仅2.5cm的走线电感就能产生相当大的电压偏移。这种偏移甚至常常导致开关模式电源完全失效。将输入电容放在离开关稳压器输入引脚几厘米的地方，通常就会导致开关电源不能工作。在布局布线不当的电路板上，如果开关电源仍能工作，它将产生非常大的电磁干扰(EMI)。在上面的公式中，我们唯一能改变的参数是走线电感。我们可以使走线尽可能短，从而降低走线电感。较厚的铜线也有助于降低电感。由于负载所需的功率固定，因此我们无法改变电流参数。对于转换时间而言，我们可以改变，但一般不想改变。减慢转换时间可以降低产生的电压偏移，从而降低EMI，但是开关损耗却会提高，我们将不得不以较低的开关频率并利用昂贵而庞大的电源器件工作。

找到交流电流走线

在开关模式电源的PCB布局布线中，最重要的准则是以某种方式使交流走线尽可能短。如果能认真遵守这一准则，良好的电路板布局布线可以说已经成功了80%。为了找到这些在很短的时间(转换时间)内将电流从“满电流”变为“无电流”的交流走线，我们将原理图绘制了三次。如图2所示，它是一个简单的降压型开关模式电源。在顶部的原理图中，我们用虚线画出了开启时间内电流的流动。在中间的原理图中，我们用虚线画出了关闭时间内电流的流动。底部的原理图特别值得注意。这里，我们画出了电流从开启时间变为关闭时间的所有走线。图2底部原理图中的这些走线是交流走线，必须使其尽可能短，以降低寄生电感。

图2：在开关稳压器中找出交流电流走线。

通过这种方法，我们可以轻松找到任何开关模式电源拓扑结构的交流电流走线。在评估现有的电路板布局布线时，一个好的办法是将其打印在纸上，并放上一张透明的塑料板，然后用不同颜色的笔，画出开启时间和关闭时间内的电流流向及相应的交流走线。虽然我们倾向于认为，能够在头脑中完成这一相对简单的工作，但在思维过程中，我们常常会犯一些小错误，因此，强烈建议在纸上绘出走线。

实现良好的PCB布局布线

图2显示了降压稳压器的交流走线。必须注意，某些接地走线也是交流走线，同样需要保持尽可能短。此外，对于这些交流电流路径，建议不要使用任何过孔，因为过孔的电感也相当高。对于这一规则，仅有非常少的例外情况。如果交流路径不使用过孔，将实际导致比过孔本身更大的走线电感，那么建议使用过孔。多个过孔并联优于仅使用单个过孔。图3所示为采用ADI公司ADP2300降压稳压器的电路板的布局布线示例。我们检查一下，图中的交流走线是否是按绝对最短的路径布设。图2用字母A、B、C表示了交流电流连接。

图3：优化的降压稳压器布局布线示例。

图3中的连接A是按照尽可能短的路径布设，因为C2的高侧连接能够以最短的走线连接到开关MOSFET(ADP2300的引脚5，即Vin引脚)。连接B是引脚6(SW引脚)与二极管D1的阴极侧之间的走线。在图3中，我们同样看到该走线尽可能短，以降低走线电感。连接C是二极管D1的阳极与C2的接地连接之间的走线。这两个器件的焊盘彼此相邻，具有最低的走线电感。此外，这也有利于该交流电流不经过安静的接地层。接地层应仅用作基准电压，最好没有电流(特别是没有交流电流)流过接地层。C2旁边的过孔将PCB顶层的接地区域连接到底层的地，但没有交流电流流经这些过孔。

电感的特殊考虑

在EMI方面，我们也必须考虑电感。实际器件并不像许多人认为的那样对称。电感有一个磁芯，磁芯周围绕着电线。绕组总有一个起始端和一个结束端。起始端连接到电感的内绕组，结束端从电感的外绕组接出。图4所示为典型的鼓式电感的示意图。绕组的起始端通常在器件上标有一个圆点。将起始端连接到高噪声开关节点，将结束端连接到安静的电压非常重要。对于降压稳压器，安静的电压就是输出电压。这样，外绕组上的固定电压，可以在电气上屏蔽内绕组上的交流开关节点电压，从而电源的EMI将会较低。

图4：电感的绕组起始端和结束端。

顺便提一下，所谓的屏蔽电感也是如此。具有一定磁导率的屏蔽电感的外部，确实使用了某种屏蔽材料，该材料会收紧封装侧的大部分磁力线。然而，这种材料只能抑制磁场，而不能抑制电场。外绕组上的交流电压主要是电气或容性耦合引起的问题，屏蔽电感的屏蔽材料没有抑制此类耦合。因此，屏蔽电感也应放在电路板上，以便将高噪声开关节点连接到绕组起始端，从而将EMI降到最低。

开关模式电源良好电路板布局布线的基础

工程课程一般不会教授如何实现良好的电路板布局布线。高频RF类课程会研究走线阻抗的重要性，但需要自行构建系统电源的工程师，通常不会将电源视为高频系统，而忽视了电路板布局布线的重要性。电路板布局布线不当引起的大多数问题，都可以归结为未控制交流电流走线尽可能短并且紧凑。了解本文所述电路板布局布线准则背后的理由并严格遵守，将能够把开关模式电源的任何PCB相关问题降到最小。