開關模式電源設計PCB布局改進方案

今天主要是關于：開關模式電源設計改進。

一、PCB耦合

通常工程師在 SMPS布局中都會密切關注2個耦合因素，如下圖所示：

電壓開關節(jié)點，具有高dv/dt

熱電流環(huán)路，包含子系統(tǒng)中最高的di/dt

顯示降壓轉換器di/dt和dv/dt位置的示意圖

這里起作用的機制和風險是將不需要的能量通過電容（dv/dt）和電感（di/dt）耦合到系統(tǒng)的其他部分，或者以輻射和傳導發(fā)射的形式耦合到系統(tǒng)之外。

二、PCB設計檢查

這里檢查LM22678 5A轉換器的PCB布局，其Uin 為12V，Uout為5V。這是一個非同步降壓轉換器，使用B130L-13-F肖特基二極管用于其低側開關元件。

12V 至 5V 異步 LM22678 降壓轉換器原理圖

最大限度地減少電容和電感耦合并不是復雜，但是很容易被忽略，從而導致PCB出問題，進而導致產(chǎn)品被推遲。

下圖中，可以看到非同步降壓穩(wěn)壓器的TO-263封裝的布局，其中標出了電壓節(jié)點（紅色輪廓）和熱電流環(huán)路（黃色）。

采用低側功率二極管的非同步降壓穩(wěn)壓器設計

為了看得更清楚，PCB上的銅填充已經(jīng)被隱藏，這個設計存在3個明顯問題：

1、高 di/dt 環(huán)路遠大于其需要的值

2、沒有過孔連接 Cin 或 Cout的 GND 節(jié)點(被過孔覆蓋)

3、交換節(jié)點可以更小

上面這個設計說明，電流環(huán)路沒有得到很好的控制，并且由于平面之間缺乏通孔，電流沒有明確定義的返回源路徑。

三、對于EMC

改進后的布局如下圖所示：

優(yōu)化了電壓節(jié)點，更小的熱環(huán)路以及每個無源組件對第2層參考平面。

此外初級Cout電容也相對于原始設計旋轉的了90°，降低了輸軌道上的噪聲風險。

改進的布局考慮了耦合機制

通過將低側二極管串聯(lián)移動到開關引腳和電感之間，可以更好地限制dv/dt 耦合效應產(chǎn)生的潛在串擾噪聲。

此外，通過減小熱環(huán)路幾何形狀，可以降低高di/dt磁場耦合的影響。

雖然說這些變化很小，但是不需要對額外PCB空間或其他子系統(tǒng)進行該改變。但是通過減少約50%的電流環(huán)路和優(yōu)化節(jié)點，增強了系統(tǒng)合規(guī)性。

四、主要要點：

了解開關模式電源中電流環(huán)路的流動位置

保持節(jié)點和環(huán)路幾何形狀較小，以減輕不必要的耦合效應

使 Cin遠離或 Cout以幫助隔離電流環(huán)路感應場，并防止 dv/dt 串擾

將焊盤連接到過孔，而不僅僅是接地填充銅，以幫助限制返回電流

審核編輯：湯梓紅