一文詳解PCB開關(guān)電源設(shè)計

開關(guān)電源是電子電路中廣泛使用的一種電源拓撲結(jié)構(gòu)。 無論是復(fù)雜的數(shù)控機床還是緊湊的電子設(shè)備，只要設(shè)備連接到某種電源，開關(guān)電源電路就是必不可少的。

無論電路的設(shè)計和功能是怎么樣的，不正確或者有故障的電源單元都有可能導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重故障。

這篇文章就來講講 PCB 開關(guān)電源設(shè)計。

一、開關(guān)電源電路 4 個組成部分

首先，要設(shè)計開關(guān)電源電路，就需要明確的電路要求和規(guī)格，電源有 4個重要部分：

1、輸入和輸出過濾器

2、用于驅(qū)動器的驅(qū)動器電路和相關(guān)組件，尤其是控制電路。

3、開關(guān)電感器或變壓器

4、輸出橋和相關(guān)的濾波器

1、輸入和輸出過濾器

輸入和濾波器部分是嘈雜或未調(diào)節(jié)的電源線連接到電路的地方。

因此，輸入濾波電容需要與輸入連接器和驅(qū)動電路保持均勻的間距，必須始終使用較短的連接長度將輸入部分與驅(qū)動器電路連接起來。

上圖中突出顯示的部分表示濾波電容的緊密放置

2、用于驅(qū)動器的驅(qū)動器電路和相關(guān)組件，尤其是控制電路。

驅(qū)動器主要由內(nèi)部 MOSFET 組成，有時也外接開關(guān) MOSFET。開關(guān)線總是以非常高的頻率打開和關(guān)閉，并產(chǎn)生非常嘈雜的電源線。 這部分總是需要與所有其他連接分開。

例如，直接連接到變壓器的高壓直流線路（對于反激式 SMPS）或直接連接到功率電感器的直流線路（基于降壓或升壓拓撲的開關(guān)穩(wěn)壓器）應(yīng)該分開。

在下圖中，突出顯示的信號是高壓直流線，信號以與其他信號分離的方式路由。

突出顯示的信號是高壓直流線，信號以與其他信號分離的方式路由

開關(guān)模式電源設(shè)計中最嘈雜的線路之一是驅(qū)動器的漏極引腳，無論是AC 到 DC 反激設(shè)計，還是基于降壓、升壓或降壓-升壓拓撲的低功率開關(guān)電源設(shè)計。它總是需要與所有其他連接分開并且需要非常短，因為這種類型的路由通常攜帶非常高頻的信號。將此信號線與其他信號線隔離的最佳方法是通過銑削或尺寸層使用PCB 切口。

在下圖中，顯示了與光耦合器保持安全距離的隔離漏極引腳連接，并且 PCB 切口將消除來自其他路由或信號的任何干擾。

與光耦合器保持安全距離的隔離漏極引腳連接

另一個重要的一點是，驅(qū)動器電路幾乎總是具有非常敏感的反饋或感測線（有時不止一條，例如輸入電壓感測線、輸出感測線），并且驅(qū)動器操作完全依賴于感測反饋。任何類型的反饋或感測線的長度都應(yīng)該更短，以避免噪聲耦合。這些類型的線路總是需要與電源、開關(guān)或任何其他嘈雜的線路分開。

下圖顯示了從光耦合器到驅(qū)動器的單獨反饋線。

從光耦合器到驅(qū)動器的單獨反饋線。

不僅如此，驅(qū)動電路還可以具有控制驅(qū)動電路操作所需的多種類型的元件，例如電容器、RC濾波器。這些組件需要靠近驅(qū)動器放置。

3、開關(guān)電感器或變壓器

開關(guān)電感是任何電源板中僅次于大容量電容的最大可用組件。一種糟糕的設(shè)計是在電感引線之間布線任何類型的連接。重要的是不要在電源或濾波器電感焊盤之間路由任何信號。

此外，無論何時在電源中使用變壓器，尤其是在 AC-DC SMPS 中，該變壓器的主要用途是隔離輸入與輸出。初級和次級焊盤之間需要足夠的距離。增加爬電距離的一種最佳方法是使用銑削層應(yīng)用 PCB 截止。切勿在變壓器引線之間使用任何類型的布線。

開關(guān)變壓器之間的PCB 切斷

4、輸出橋和相關(guān)的濾波器

輸出電橋是一個大電流肖特基二極管，根據(jù)負載電流散熱。 在少數(shù)情況下，需要使用銅平面在 PCB 本身中創(chuàng)建PCB 散熱器。散熱器效率與 PCB 銅面積和厚度成正比。

PCB 中常用的銅厚度有兩種，35 微米和70 微米。厚度越高，熱連接性越好，PCB 散熱片面積越小。 如果 PCB 是雙層的，并且 PCB 中有些加熱空間不可用，則可以使用銅平面的兩側(cè)，并可以使用公共通孔連接這兩側(cè)。

下圖是在底層創(chuàng)建的肖特基二極管的 PCB 散熱器示例。

底層創(chuàng)建的肖特基二極管的 PCB 散熱器示例

緊接在肖特基二極管之后的濾波電容需要非?？拷儔浩骰蜷_關(guān)電感放置，以使通過電感器、橋式二極管和電容器的電源回路變得非常短。 這樣，可以降低輸出紋波。

下圖是從變壓器輸出到橋式二極管和濾波電容器的短回路示例。

從變壓器輸出到橋式二極管和濾波電容器的短回路示例

二、開關(guān)電源電路 PCB 設(shè)計布局技巧

有一些基本的開關(guān)電源電路 PCB 布局規(guī)則需要遵循，這樣可以保證 PCB 設(shè)計具有 低噪聲、低輻射 EMI 并保持在低溫下。

具體有以下幾點：

量通過適當(dāng)?shù)囟x接地，在 PCB 布局中放置短路路徑以及在 PCB 中布置電隔離來保持低 EMI，從而減少噪聲耦合。

如果布局中存在噪聲、需要包絡(luò)跟蹤等功能或者特定的噪聲導(dǎo)致設(shè)計出現(xiàn)問題，則在需要時使用適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵?EMI 濾波器電路。

使用大量銅為重要組件的散熱提供路徑，如果需要，你可以考慮獨特的外殼設(shè)計，以及熱組件上的散熱器或風(fēng)扇。

置快速開關(guān)、大電流電路，例如 mos 管陣列，防止在開關(guān)電源設(shè)計期間出現(xiàn)寄生振蕩。

1、定義地面時要小心

要考慮的第一個開關(guān)模式電源 PCB 布局指南是如何在布局中定義接地。 在設(shè)計開關(guān)電源電路時，請記住存在五個接地點。 這些可以分成不同的導(dǎo)體以確保電流隔離。 這些是：

入大電流源地

輸入大電流電流回路接地

輸出大電流整流器地

輸出大電流負載地

低位控制地

這些接地連接中的每一個都可能存在于物理上獨立的導(dǎo)體中，具體取決于轉(zhuǎn)換器、整流器或穩(wěn)壓器電路中對電流隔離的需要。

如果接地電容耦合，你的電源電路可能會接收共模噪聲，例如通常通過附近的導(dǎo)電外殼發(fā)生。 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：

如果出于某種原因確實需要橋接接地以消除一些直流偏移，則 Y 級電容是最佳選擇，因為它可以提供高頻濾波并消除接地區(qū)域之間的直流偏移。

在某些開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，Y 級電容可用于橋接接地。

在某些開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，Y 級電容可用于橋接接地

每個大電流接地都用作電流回路的一個分支，但應(yīng)將其布置為為電流提供低阻抗返回路徑。 這可能需要多個通孔返回接地層，以允許具有低等效電感的高電流。

這些點及其相對于系統(tǒng)接地的電位成為測量在電路不同點之間傳導(dǎo)的直流和交流信號的點。 由于需要防止大電流交流地的噪聲溢出，適當(dāng)?shù)臑V波電容的負端作為大電流地的連接點。

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)域提供了低阻抗路徑以將噪聲從直流輸出中消散，并且它們可以處理高返回電流。 它們還提供了在需要時遠離重要組件的熱量傳輸路徑。

在兩側(cè)放置接地層可吸收輻射 EMI、降低噪聲并減少接地回路誤差。在作為靜電屏蔽和消散渦流中的輻射 EMI 的同時，接地層還將電源層的電源走線和組件與信號層組件分開。

計中的接地區(qū)域可以根據(jù)其功能賦予多個名稱。 在你的設(shè)計中定義接地區(qū)域時要小心，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)中也很重要。 確保將連接定義為具有低阻抗而不影響裝配。

共模噪聲和傳導(dǎo)紋波是 PCB 布局中的主要噪聲源，當(dāng)噪聲極端時，它們會導(dǎo)致設(shè)計無法通過 EMI 測試。

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

電源和接地層提供低阻抗連接，同時提供遠離系統(tǒng)重要部分的散熱路徑

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

2、減少開關(guān)電源 PCB 布局的接地反彈

首先，接地填充是必不可少的，分離電源電路中的不同接地層是另一個最重要的事情。

從電路的角度來看，開關(guān)電源可以為所有組件提供一個公共接地，但在 PCB 設(shè)計階段并非如此。

根據(jù) PCB 設(shè)計的角度，地分為兩部分。第一部分是電源地，第二部分是模擬或控制地。這兩個地具有相同的連接，但有很大的不同。與驅(qū)動電路相關(guān)的組件使用模擬或控制接地。這些組件使用創(chuàng)建低電流返回路徑的接地層，

另一方面，電源地承載高電流返回路徑。電源組件噪聲很大，如果直接連接到同一地線，可能會導(dǎo)致控制電路出現(xiàn)不確定的接地反彈問題。下圖顯示了模擬和控制電路如何在單層 PCB 中與 PCB 的其他電源線完全隔離。

模擬電路和控制電路與其他電源線完全隔離

這兩個部分需要分開，并且應(yīng)該在特定區(qū)域中連接。

如果 PCB 是雙層的，這很容易，就像頂層可以用作控制地，所有控制電路都應(yīng)該連接在頂層的公共接地層中。另一方面，底層可以用作電源地，所有有噪聲的組件都應(yīng)該使用這個地平面。但是這兩個接地是相同的連接并且在原理圖中連接?，F(xiàn)在，為了連接頂層和底層，可以使用通孔在一個地方連接兩個接地層。例如，見下圖——

使用通孔在一個地方連接兩個接地層

驅(qū)動器的上面部分有所有電源濾波器相關(guān)的電容它們使用一個單獨的接地層，稱電源為 GND，但驅(qū)動器 IC 的下面部分是所有控制相關(guān)的組件，使用一個單獨的控制 GND。兩個接地是相同的連接，但單獨創(chuàng)建。兩個 GND 連接然后通過驅(qū)動器 IC 連接。

3、設(shè)計開關(guān)動作

開關(guān)電源電路通過在截止操作狀態(tài)和飽和操作狀態(tài)之間快速切換通路單元并向輸出負載提供恒定功率來操作。

在截止時，通過單元上存在高電壓，但沒有電流流動。 在飽和時，高電流以非常小的電壓降流過通路單元。 因為半導(dǎo)體開關(guān)從直流輸入電壓產(chǎn)生交流電壓，所以開關(guān)電源電路可以通過變壓器升壓或降壓電壓，然后在輸出端將電壓過濾回直流電。

脈寬調(diào)制 (PWM) 開關(guān)電源可以在正向模式或升壓模式下運行。正向模式電源在輸出端有一個 LC 濾波器，它根據(jù)從濾波器獲得的輸出的電壓時間平均值產(chǎn)生一個直流輸出電壓。 為了控制信號的電壓時間平均值，開關(guān)電源控制器改變輸入矩形電壓的占空比。

4、降壓轉(zhuǎn)換與升壓轉(zhuǎn)換

當(dāng)電源開關(guān)打開時，升壓轉(zhuǎn)換器模式電源直接在輸入電壓源上連接一個電感。 電感電流從零開始增加，并在關(guān)閉電源開關(guān)的同時達到峰值。 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)存儲在電感核心中的能量傳遞到輸出電容時，電感的開關(guān)端會回落到輸入電壓的電平。

同時，降壓轉(zhuǎn)換器模式電源使用相同的組件，但采用不同的拓撲結(jié)構(gòu)，以將電感的反電動勢鉗位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，其中輸出電流與充電/放電電容競爭振蕩，從而能夠調(diào)節(jié)輸出功率。

兩種類型的穩(wěn)壓器/轉(zhuǎn)換器拓撲都允許開關(guān)噪聲傳播到設(shè)計中的輸出端口，這可以看作是輸出上的高頻紋波。

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

降壓和升壓轉(zhuǎn)換器布局

5、電源路由有助于確保低噪聲運行

開關(guān)電源會傳導(dǎo)高頻噪聲，直到噪聲頻率達到開關(guān)頻率的大約 100 倍。 然后，噪聲頻率以每十倍頻 -20 到 -40 dB 的速度下降。 由于開關(guān)穩(wěn)壓器在“開”和“關(guān)”電源狀態(tài)下運行，具有尖銳邊緣的大電流脈沖會在開關(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)的其他地方感應(yīng)到。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，這些回路需要正確布線以防止噪聲過大。

布置電源時，要特別注意環(huán)路的周長以及走線的長度和寬度，使環(huán)路周長保持較小可以消除環(huán)路用作低頻噪聲天線的可能性。從電路效率的角度來看，更寬的走線還為電源開關(guān)和整流器提供了額外的散熱。

你可以使用主動路由路由引擎來實現(xiàn)人工路由結(jié)果，并安排組件以允許切換電流回路以相同方向進行。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。因此，磁場不能沿著位于兩個半周期之間的走線反向并產(chǎn)生輻射 EMI。

用電源布局時，應(yīng)使處理高開關(guān)電流的走線短、直且粗。IPC 標(biāo)準(zhǔn)可用于計算推薦的走線寬度，但經(jīng)驗法則是每安培的最小寬度為 15 密耳。

開關(guān)電源電路 中的EMI 濾波器可抑制由直流輸入和輸出接線中傳導(dǎo)的高頻電流引起的高頻噪聲。

下圖 PCB 布局中的組件緊密相連，并使用短而直接的走線進行布線。

PCB布局

此 PCB 布局中的組件緊密相連，并使用短而直接的走線進行布線。

審核編輯：湯梓紅