開關(guān)電源PCB布線要點(diǎn)

• 布線分析

開關(guān)轉(zhuǎn)換發(fā)生在導(dǎo)通(開關(guān)閉合)到關(guān)斷(開關(guān)斷開)瞬間，其持續(xù)時(shí)間一般小于100ns，但絕大多數(shù)問題都發(fā)生在該時(shí)段。噪聲與變換器的基本開關(guān)頻率沒有很大關(guān)系，多數(shù)噪聲及其他相關(guān)問題都發(fā)生在轉(zhuǎn)換瞬間。而且開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，產(chǎn)生的問題越多。

作為設(shè)計(jì)師首先應(yīng)了解變換器主電路電流的流向，從而識(shí)別出 PCB 中有麻煩的或關(guān)鍵的走線，必須特別注意這些走線的布線。該走線的判定隨拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同也不同。因此，不能用設(shè)計(jì)buck電路PCB的方法來設(shè)計(jì) buck-boost 電路PCB。其規(guī)律有很大差別。

• 布線要點(diǎn)

1、在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間某些走線的電流會(huì)瞬間停止，而另外一些走線電流同時(shí)瞬間導(dǎo)通（均在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間100ns之內(nèi)發(fā)生）。這些走線被認(rèn)為是開關(guān)調(diào)整器PCB布線的“關(guān)鍵走線”。每個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，這些走線中都產(chǎn)生很高的dl/dt。如圖1所示，整個(gè)線路混雜著不少的電壓尖峰，這是由于寄生電感的存在導(dǎo)致的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每英寸走線的寄生電感約為 20nH。

圖1

2、噪聲尖峰一旦產(chǎn)生，不僅會(huì)傳遞到輸入/輸出端（影響電源性能），而且會(huì)滲透到IC控制單元，使控制功能失穩(wěn)失常，甚至使控制的限流功能失效，導(dǎo)致開關(guān)元件損壞。

3、MOSFET比BJT（俗稱三極管）轉(zhuǎn)換速度更高。MOSFET的開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間一般為10ns ~ 50ns，而BJT一般為100ns~150ns。由于它們?cè)谄銹CB關(guān)鍵走線中產(chǎn)生更高的dI/dt，采用MOSFET開關(guān)的變換器將產(chǎn)生更惡劣的“尖峰”。

注意：對(duì)1英寸的銅走線開關(guān)，在30ns 的開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間流過1A的瞬態(tài)電流，將產(chǎn)生0.7V的尖峰電壓。若是3A的瞬態(tài)電流流過2英寸銅走線，將產(chǎn)生近4V的尖峰電壓。

噪聲尖峰幾乎是觀察不到的。首先，各種寄生參數(shù)一定程度上幫助吸收尖峰噪聲。其次,用示波器探頭觀察時(shí)，探頭自身 10pF~20pF的電容也能吸收該類尖峰，從而看不到任何顯著信息。另外，探頭感應(yīng)了太多空氣傳播的開關(guān)噪聲，使觀察者難以確定所看到的到底是什么。

4、所有集成IC的開關(guān)均與其控制部分封裝在一起。這樣雖然應(yīng)用方便且價(jià)格便宜，但是通常這樣的IC對(duì)走線寄生電感所產(chǎn)生的噪聲更敏感。這是因?yàn)槠涔β始?jí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)（即連接二極管、開關(guān)管和電感的節(jié)點(diǎn)）僅是該IC本身的輸出引腳，該引腳將開關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的高頻噪聲直接傳遞到控制部分，導(dǎo)致控制失常。

5、注意在調(diào)試時(shí)，如圖1所示，不應(yīng)在關(guān)鍵走線的某處使用一段軟線接入電流探頭，因?yàn)樵撾娏鳝h(huán)路將形成一個(gè)附加電感，使噪聲尖峰急劇增高。因此，單獨(dú)測出開關(guān)電流或者二極管電流幾乎是不可能。這種情況下，只能測量出電感電流波形。

6、注意buck和buck-boost電路輸入電容也處于關(guān)鍵路徑中。這意味著在這些拓?fù)渲?，功率?jí)需要有良好的輸入去耦裝置。因此，除了功率級(jí)所需的大容量電容（通常是大容量鉭電容或鋁電解電容）外，還應(yīng)在開關(guān)的“靜默”端（電源側(cè)）與最靠近開關(guān)的地端之間接入一小容量陶瓷電容（約0.1μF~1μF）。

7、圖1未畫出控制部分。控制電路本身需要良好的解耦裝置。為此，需在緊臨IC的地方接人一個(gè)小容量陶瓷電容。

8、有時(shí)，控制IC可能需要更有效的解耦裝置，用一連接輸人電源高端的小電阻(通常10Ω~22Ω)與陶瓷電容串聯(lián)接于IC的輸人與地腳之間，從而構(gòu)成了IC電源的小型“RC濾波器”。

9、對(duì)所有拓?fù)洌姼芯惶幱陉P(guān)鍵路徑，因此不必過多擔(dān)心它的布線，但要考慮電感產(chǎn)生的電磁場，它會(huì)影響附近的電路及敏感走線。因此一般情況下，若成本允許最好使用“屏蔽電感”以解決上述問題。若條件不允許，應(yīng)將其置于遠(yuǎn)離 IC處，特別要遠(yuǎn)離反饋?zhàn)呔€。

10、從圖1可見，對(duì)boost和buck-boost 電路，輸出電容處于關(guān)鍵路徑。因此該電容和二極管應(yīng)盡量靠近控制IC。在該電容兩端并聯(lián)一陶瓷電容是有利的，但要求它不會(huì)引起環(huán)路不穩(wěn)定。

對(duì)于buck電路，應(yīng)注意雖然要求輸出二極管盡量靠近IC/開關(guān)，但對(duì)輸出電容沒有嚴(yán)格要求(由于電感的存在使得該路徑電流平滑)。若用一陶瓷電容與輸出電容并聯(lián)則只是為進(jìn)一步降低輸出高頻噪聲和輸出紋波。但該做法不可靠，特別對(duì)電壓控制模式，當(dāng)輸出電容等效串聯(lián)電阻(ESR)值變得太小(小于100mΩ)時(shí)，可能造成環(huán)路嚴(yán)重不穩(wěn)定。

11、對(duì)于所有拓?fù)?，二極管均處于關(guān)鍵路徑。二極管連接開關(guān)節(jié)點(diǎn)，并通過節(jié)點(diǎn)直接連接到開關(guān)IC內(nèi)部。對(duì)于開關(guān)IC，當(dāng)buck變換器布線造成二極管離IC距離太遠(yuǎn)時(shí)，可通過在開關(guān)節(jié)點(diǎn)與地之間（跨過二極管，靠近IC）并聯(lián)一小型 RC緩沖器來進(jìn)行后級(jí)調(diào)整。該RC緩沖電路由一個(gè)10~100Ω電阻(最好為低感型)與一個(gè)約470pF ~ 2.2nF的電容（最好為陶瓷電容）串聯(lián)組成。注意電阻功耗為CVin^2f。這樣不僅電阻瓦數(shù)應(yīng)選合適，電容容值也不能隨意增加，以避免效率損失太多。

12、長度為l、直徑為d的導(dǎo)線電感值可由以下近似公式計(jì)算

l和d單位均為cm。

PCB走線電感計(jì)算公式與導(dǎo)線電感公式區(qū)別不大，可用下式計(jì)算

其中ω為走線寬度。注意PCB走線電感基本與敷銅厚度無關(guān)。從以上對(duì)數(shù)關(guān)系可以看出，若 PCB走線長度減少一半，則其電感也減少一半。但走線寬度必須增加10倍才使其電感減少一半。即僅增加走線寬度用處不大，要減少電感應(yīng)使走線盡量短。

13、“過孔”電感由以下公式計(jì)算

式中h為過孔深度，單位為mm（其等于板厚，一般為1.4mm~16mm），d為過孔直徑，單位為mm。這樣，16mm厚的板，直徑為0.4mm的過孔電感為1.2nH。雖然不大，但實(shí)際證明它也影響開關(guān)IC工作，特別是在使用MOSFET時(shí)。因此必須使用一輸入陶瓷電容為IC解耦，一定要注意該電容應(yīng)盡可能靠近IC引腳與PCB連接處，并且在該電容與IC引腳焊點(diǎn)之間不能有過孔連接。

14、增加某些走線寬度對(duì)電路工作可能是不利的。例如，對(duì)正輸入——正輸出buck變換器，從開關(guān)節(jié)點(diǎn)到二極管的走線是“熱”（電壓變動(dòng)的）的。任何帶有變動(dòng)電壓的導(dǎo)體，不管它流過電流的大小，只要其尺寸足夠大就會(huì)形成E型天線。因此應(yīng)該減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的走線面積。唯一允許大面積敷銅的電壓節(jié)點(diǎn)是接地點(diǎn)或外殼接地點(diǎn)。其他走線（包括輸人電源母線）都可能因寄生高頻噪聲而產(chǎn)生嚴(yán)重輻射效應(yīng)。

15、1oz板是指板敷銅厚度為 1.4mil（或35μm）。類似地2oz是指前面的兩倍厚度。對(duì)1oz板，在中等溫升（低于30℃）電流低于5A的場合最小敷銅寬度為12mil/A。而對(duì)2oz板，敷銅寬度至少為7mil/A。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則僅基于走線的直流電阻。若要減小其感性阻抗和交流電阻，則需要更大的敷銅寬度。

16、已知減小走線電感的最好方法是減小長度，而不是增加寬度。超過某一定限度后再加寬走線并不能顯著減小電感。同樣，使用1oz或2oz板對(duì)電感也無明顯影響，也不在于走線是否加“鍍層”（給走線鍍焊/銅,從而增加有效導(dǎo)線截面）。因此，若由于某些原因，走線長度不能進(jìn)一步減少，則可以通過將電流前向和返回走線并行的方法來減小電感。

電感之所以出現(xiàn)是因?yàn)樗鼈兇鎯?chǔ)了磁能量。該能量存在于磁場中。反過來講，若磁場消失，則電感也隨之消失。通過將兩條電流走線平行布置，流過它們的電流大小相等而方向相反，從而使磁場大大削弱。這兩條平行走線在PCB的同一面上時(shí)，要靠得非常近。若使用雙面PCB，最好的辦法是將兩條平行走線置于板子兩面（或相鄰層）的相對(duì)位置。為加強(qiáng)互耦以消去磁場，這些走線應(yīng)盡量寬些。

17、對(duì)大功率離線反激變換器，二次側(cè)走線的電感會(huì)反射到一次側(cè)，從而極大地增加了一次等效漏感，使效率降低。當(dāng)要應(yīng)付較大RMS電流，需并聯(lián)多個(gè)輸出電容時(shí)，上述情況將更嚴(yán)重。但仍可利用消去磁場的方法來減小電感。具體做法如圖2所示。在輸出二極管布線之后設(shè)置兩塊銅面。其中一塊為地，另外一塊為輸出正端。利用兩塊并行銅面承載前向和返回電流，基本上可消除通路電感，形成所需的良好的高頻續(xù)流路徑。這種簡便的方法對(duì)輸出電容均流非常有利。

圖2

18、對(duì)單面板，保證若干并聯(lián)輸出電容均流的常用方法如圖3所示。雖然不能使電感減到最小，但它確能保證下游的第一個(gè)電容不會(huì)由于電流路徑過長而不均流。注意右圖的布線，所示三條路徑從二極管經(jīng)過每個(gè)電容的路徑總長基本相等，從而產(chǎn)生更精確的均流。

圖3

19、對(duì)多層板，通常做法是將全部一層作為地。已知每個(gè)信號(hào)都有回路，隨著諧波增高，其返回電流將不是沿著直流電阻最小的那條路徑（直線），而是沿著地對(duì)應(yīng)電感最小的路徑甚至是“之”字形路徑。因此通過設(shè)置一層地，就能給返回電流提供阻抗最?。ㄖ绷麟娮枳钚∵€是感抗最小，這取決于諧波頻率）的路徑。地還能幫助處理一些熱問題，如將熱量傳遞到另外一方。地還能容性地吸收其上層走線的噪聲，從而一定程度減少噪聲和電磁干擾。但若不小心也會(huì)造成輻射，這種情況可能在耦合了太多走線噪聲時(shí)發(fā)生。地吸收了噪聲就會(huì)受到影響，特別是銅皮很薄時(shí)情況更嚴(yán)重。

20、通常認(rèn)為最重要的信號(hào)走線是反饋?zhàn)呔€。若這條走線吸收了噪聲（容性的或感性的），就會(huì)使輸出電壓產(chǎn)生些許偏移——極端情況（較少見）甚至造成不穩(wěn)定或器件損壞。應(yīng)使反饋?zhàn)呔€盡量短，并遠(yuǎn)離噪聲或磁場源（開關(guān)、二極管和電感）干擾。絕不能將反饋?zhàn)呔€置于電感、開關(guān)或二極管下方（即使是 PCB的另外一面的下方），也不能讓它靠近或平行噪聲走線超過2mm~3mm，即使PCB的臨近層也要這樣考慮。

有地處于中間層時(shí)，應(yīng)在層間提供足夠的屏蔽保護(hù)。有時(shí)使反饋?zhàn)呔€很短是不現(xiàn)實(shí)的，應(yīng)認(rèn)識(shí)到使走線盡量短并非第一位的要求。事實(shí)上，經(jīng)常會(huì)有意識(shí)地將它布得長一些，以便使這些走線避開潛在的噪聲源。也可小心設(shè)計(jì)，使部分反饋?zhàn)呔€穿過地沒有返回電流流過的部分，這將使得它免受干擾。