一些SMPS PCB布局技巧及噪聲和熱量問題

無論是執(zhí)行AC-DC轉(zhuǎn)換還是DC-DC轉(zhuǎn)換，開關(guān)電源布局在高壓設(shè)計(jì)中都很常見，必須仔細(xì)構(gòu)造。盡管該系統(tǒng)非常普遍，但由于開關(guān)期間電壓和電流的快速變化，它很容易輻射EMI。設(shè)計(jì)人員很少能將現(xiàn)有設(shè)計(jì)應(yīng)用于新系統(tǒng)，因?yàn)橐粋€(gè)區(qū)域的微小變化會(huì)產(chǎn)生難以診斷的EMI問題。

通過正確的布局選擇和布線，可以防止噪聲成為SMPS輸出上的重要問題?？梢再徺I低電壓轉(zhuǎn)換器作為具有不同形狀因數(shù)的IC，但是高電壓轉(zhuǎn)換器將需要由專用板上的分立組件生產(chǎn)。以下是一些重要的SMPS PCB布局技巧，可幫助您保持組件冷卻并防止系統(tǒng)中出現(xiàn)噪聲問題。

SMPS PCB布局中的噪聲和熱量問題

沒有解決之道：由于晶體管驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)動(dòng)作，任何SMPS都會(huì)產(chǎn)生中等程度的高頻噪聲。實(shí)際上，您是在將低頻紋波（即，在AC-DC轉(zhuǎn)換過程中從全波整流器產(chǎn)生）轉(zhuǎn)換為高頻開關(guān)噪聲。盡管此轉(zhuǎn)換產(chǎn)生更穩(wěn)定的直流輸出，但仍然存在兩個(gè)重要的噪聲源：

來自開關(guān)元件的直接開關(guān)噪聲。

系統(tǒng)中其他地方的瞬態(tài)噪聲。

噪聲會(huì)以傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲的形式出現(xiàn)在SMPS單元的輸出上。盡管每個(gè)問題的原因都很難診斷，但可以輕松地區(qū)分兩種類型的噪聲。SMPS PCB布局中的其他設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是板上產(chǎn)生的熱量。雖然這可以通過選擇正確的PWM頻率，占空比和上升時(shí)間來影響，但您仍然需要在電路板上使用正確的熱管理策略?？紤]到這兩個(gè)挑戰(zhàn)，讓我們看一下SMPS PCB布局中要注意的一些細(xì)節(jié)。

熱管理

理想的SMPS將耗散零功率，盡管實(shí)際上并不會(huì)發(fā)生這種情況。您的開關(guān)晶體管（以及用于AC-DC轉(zhuǎn)換的輸入變壓器）將耗散絕大部分的熱量。即使在開關(guān)電源拓?fù)渲行士梢赃_(dá)到90％，功率MOSFET仍可以在開關(guān)過程中散發(fā)大量熱量。此處的常見做法是將散熱器放置在關(guān)鍵的開關(guān)組件上。確保將它們重新連接到接地層，以防止產(chǎn)生新的EMI。

在高壓/大電流電源中，這些散熱器可能會(huì)很大。您可以通過在機(jī)箱上安裝風(fēng)扇來增強(qiáng)系統(tǒng)的散熱能力。同樣，確保遵循有關(guān)為該風(fēng)扇供電的很好實(shí)踐，以防止出現(xiàn)新的EMI問題。

一些SMPS PCB布局技巧

您的堆疊

您的布局將在某種程度上幫助進(jìn)行熱管理，但這是EMI敏感性的更大決定因素。通常，通過在輸入和輸出電路上使用EMI濾波器來處理傳導(dǎo)噪聲。像高速/高頻系統(tǒng)中的許多EMI問題一樣，您的堆疊將是抵抗輻射EMI的主要決定因素。

SMPS運(yùn)行的相關(guān)頻率范圍為?10 kHz至?1 MHz，因此輻射的EMI將感應(yīng)感應(yīng)噪聲。因此，您想將接地層與所有電源組件一起直接放置在表層下面的疊層中。這將確保表層電路的低環(huán)路電感。通常會(huì)通過在輸出端進(jìn)行濾波來消除傳播到輸出端的任何感應(yīng)噪聲信號。

瞬態(tài)振鈴

瞬態(tài)是一個(gè)更難解決的問題，因?yàn)樗鼈兣c您的疊層，布線，過孔的存在以及去耦/阻抗過大有關(guān)。與高速設(shè)計(jì)中的情況一樣，請勿將任何攜帶開關(guān)信號的銅布線到接地層的間隙上，因?yàn)檫@會(huì)形成某種類型的天線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在瞬變時(shí)會(huì)強(qiáng)烈輻射。這些瞬變往往是高頻的（從10到100兆赫的任何地方）。

瞬態(tài)振鈴的問題是阻抗管理問題。高阻抗會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的電壓紋波。組件應(yīng)以正確的焊盤圖案放置，以最小化電路板PDN中的阻抗。您的組件的好壞焊盤示例如下所示。

布局中元件的好壞

最后，一般不要在布局中保留任何孤立的孤島。使用去耦電容器將可能包含控制電路或無源元件的任何功率孤島連接回接地/接地層。在這種情況下，請小心放置任何通孔，因?yàn)槟幌朐诮拥仄矫嫔蟿?chuàng)建意外的缺口或插槽。
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