怎樣設(shè)計(jì)開關(guān)穩(wěn)壓器的PCB布局布線

開關(guān)模式電源用于將一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電壓。這種電源的效率通常很高，因此，在許多應(yīng)用中，它取代了線性穩(wěn)壓器。

開關(guān)頻率與開關(guān)轉(zhuǎn)換

開關(guān)模式電源以一定的開關(guān)頻率工作。開關(guān)頻率既可以是固定的（例如在PWM型控制中），也可以根據(jù)某些因素而變化（例如在PFM或遲滯型控制中）。無(wú)論何種情況，開關(guān)模式電源的工作原理，都在于它有一定的開啟時(shí)間Ton和一定的關(guān)閉時(shí)間Toff。圖1顯示了一個(gè)50%占空比的典型開關(guān)周期。這意味著，在完整周期T的50%時(shí)間里，轉(zhuǎn)換器中有某一電流；在另外50%時(shí)間里，轉(zhuǎn)換器中有不同的電流。

圖1：開關(guān)頻率與開關(guān)轉(zhuǎn)換。

當(dāng)我們考慮系統(tǒng)噪聲時(shí)，實(shí)際的開關(guān)頻率（換言之，周期長(zhǎng)度T）并不是很重要。如果它在系統(tǒng)的敏感信號(hào)頻率范圍內(nèi)，開關(guān)頻率或其諧波可能會(huì)影響系統(tǒng)。但一般而言，開關(guān)頻率并不是影響系統(tǒng)的最大因素。在開關(guān)模式電源中，真正重要的是開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度。在圖1的下半部分，我們可以看到開關(guān)轉(zhuǎn)換在時(shí)間標(biāo)度上的放大圖。在周期T為2us的時(shí)間標(biāo)度上，對(duì)于500kHz PWM開關(guān)頻率，轉(zhuǎn)換看起來(lái)像是一條垂直線，如圖1的上半部分所示。但放大后，如圖1的下半部分所示，我們可以看到，開關(guān)轉(zhuǎn)換通常需要30到90ns的時(shí)間。

為什么良好的PCB布局布線非常重要？

每2.5cm PCB走線具有大約20nH的走線電感。確切的電感值取決于走線的厚度、寬度和幾何形狀，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般取20nH/2.5cm切實(shí)可行。假設(shè)一個(gè)降壓穩(wěn)壓器提供5A的輸出電流，我們將會(huì)看到電流從0A切換到5A。當(dāng)開關(guān)電流很大且開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間很短時(shí)，我們可以利用下面的公式，計(jì)算微小的走線電感會(huì)產(chǎn)生多大的電壓偏移：

假設(shè)走線長(zhǎng)2.5cm（20nH），輸出電流為5A（降壓穩(wěn)壓器中的5A開關(guān)電流），MOSFET功率開關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為30ns，那么電壓偏移將是3.33V。

由此可見，僅僅2.5cm的走線電感就能產(chǎn)生相當(dāng)大的電壓偏移。這種偏移甚至常常導(dǎo)致開關(guān)模式電源完全失效。將輸入電容放在離開關(guān)穩(wěn)壓器輸入引腳幾厘米的地方，通常就會(huì)導(dǎo)致開關(guān)電源不能工作。在布局布線不當(dāng)?shù)碾娐钒迳?，如果開關(guān)電源仍能工作，它將產(chǎn)生非常大的電磁干擾（EMI）。在上面的公式中，我們唯一能改變的參數(shù)是走線電感。我們可以使走線盡可能短，從而降低走線電感。較厚的銅線也有助于降低電感。由于負(fù)載所需的功率固定，因此我們無(wú)法改變電流參數(shù)。對(duì)于轉(zhuǎn)換時(shí)間而言，我們可以改變，但一般不想改變。減慢轉(zhuǎn)換時(shí)間可以降低產(chǎn)生的電壓偏移，從而降低EMI，但是開關(guān)損耗卻會(huì)提高，我們將不得不以較低的開關(guān)頻率并利用昂貴而龐大的電源器件工作。

找到交流電流走線

在開關(guān)模式電源的PCB布局布線中，最重要的準(zhǔn)則是以某種方式使交流走線盡可能短。如果能認(rèn)真遵守這一準(zhǔn)則，良好的電路板布局布線可以說已經(jīng)成功了80%。為了找到這些在很短的時(shí)間（轉(zhuǎn)換時(shí)間）內(nèi)將電流從“滿電流”變?yōu)椤盁o(wú)電流”的交流走線，我們將原理圖繪制了三次。如圖2所示，它是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓型開關(guān)模式電源。在頂部的原理圖中，我們用虛線畫出了開啟時(shí)間內(nèi)電流的流動(dòng)。在中間的原理圖中，我們用虛線畫出了關(guān)閉時(shí)間內(nèi)電流的流動(dòng)。底部的原理圖特別值得注意。這里，我們畫出了電流從開啟時(shí)間變?yōu)殛P(guān)閉時(shí)間的所有走線。圖2底部原理圖中的這些走線是交流走線，必須使其盡可能短，以降低寄生電感。

圖2：在開關(guān)穩(wěn)壓器中找出交流電流走線。

通過這種方法，我們可以輕松找到任何開關(guān)模式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交流電流走線。在評(píng)估現(xiàn)有的電路板布局布線時(shí)，一個(gè)好的辦法是將其打印在紙上，并放上一張透明的塑料板，然后用不同顏色的筆，畫出開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間內(nèi)的電流流向及相應(yīng)的交流走線。雖然我們傾向于認(rèn)為，能夠在頭腦中完成這一相對(duì)簡(jiǎn)單的工作，但在思維過程中，我們常常會(huì)犯一些小錯(cuò)誤，因此，強(qiáng)烈建議在紙上繪出走線。

實(shí)現(xiàn)良好的PCB布局布線

圖2顯示了降壓穩(wěn)壓器的交流走線。必須注意，某些接地走線也是交流走線，同樣需要保持盡可能短。此外，對(duì)于這些交流電流路徑，建議不要使用任何過孔，因?yàn)檫^孔的電感也相當(dāng)高。對(duì)于這一規(guī)則，僅有非常少的例外情況。如果交流路徑不使用過孔，將實(shí)際導(dǎo)致比過孔本身更大的走線電感，那么建議使用過孔。多個(gè)過孔并聯(lián)優(yōu)于僅使用單個(gè)過孔。圖3所示為采用ADI公司ADP2300降壓穩(wěn)壓器的電路板的布局布線示例。我們檢查一下，圖中的交流走線是否是按絕對(duì)最短的路徑布設(shè)。圖2用字母A、B、C表示了交流電流連接。

圖3：優(yōu)化的降壓穩(wěn)壓器布局布線示例。

圖3中的連接A是按照盡可能短的路徑布設(shè)，因?yàn)镃2的高側(cè)連接能夠以最短的走線連接到開關(guān)MOSFET（ADP2300的引腳5，即Vin引腳）。連接B是引腳6（SW引腳）與二極管D1的陰極側(cè)之間的走線。在圖3中，我們同樣看到該走線盡可能短，以降低走線電感。連接C是二極管D1的陽(yáng)極與C2的接地連接之間的走線。這兩個(gè)器件的焊盤彼此相鄰，具有最低的走線電感。此外，這也有利于該交流電流不經(jīng)過安靜的接地層。接地層應(yīng)僅用作基準(zhǔn)電壓，最好沒有電流（特別是沒有交流電流）流過接地層。C2旁邊的過孔將PCB頂層的接地區(qū)域連接到底層的地，但沒有交流電流流經(jīng)這些過孔。

電感的特殊考慮

在EMI方面，我們也必須考慮電感。實(shí)際器件并不像許多人認(rèn)為的那樣對(duì)稱。電感有一個(gè)磁芯，磁芯周圍繞著電線。繞組總有一個(gè)起始端和一個(gè)結(jié)束端。起始端連接到電感的內(nèi)繞組，結(jié)束端從電感的外繞組接出。圖4所示為典型的鼓式電感的示意圖。繞組的起始端通常在器件上標(biāo)有一個(gè)圓點(diǎn)。將起始端連接到高噪聲開關(guān)節(jié)點(diǎn)，將結(jié)束端連接到安靜的電壓非常重要。對(duì)于降壓穩(wěn)壓器，安靜的電壓就是輸出電壓。這樣，外繞組上的固定電壓，可以在電氣上屏蔽內(nèi)繞組上的交流開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，從而電源的EMI將會(huì)較低。

圖4：電感的繞組起始端和結(jié)束端。

順便提一下，所謂的屏蔽電感也是如此。具有一定磁導(dǎo)率的屏蔽電感的外部，確實(shí)使用了某種屏蔽材料，該材料會(huì)收緊封裝側(cè)的大部分磁力線。然而，這種材料只能抑制磁場(chǎng)，而不能抑制電場(chǎng)。外繞組上的交流電壓主要是電氣或容性耦合引起的問題，屏蔽電感的屏蔽材料沒有抑制此類耦合。因此，屏蔽電感也應(yīng)放在電路板上，以便將高噪聲開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到繞組起始端，從而將EMI降到最低。

開關(guān)模式電源良好電路板布局布線的基礎(chǔ)

工程課程一般不會(huì)教授如何實(shí)現(xiàn)良好的電路板布局布線。高頻RF類課程會(huì)研究走線阻抗的重要性，但需要自行構(gòu)建系統(tǒng)電源的工程師，通常不會(huì)將電源視為高頻系統(tǒng)，而忽視了電路板布局布線的重要性。電路板布局布線不當(dāng)引起的大多數(shù)問題，都可以歸結(jié)為未控制交流電流走線盡可能短并且緊湊。了解本文所述電路板布局布線準(zhǔn)則背后的理由并嚴(yán)格遵守，將能夠把開關(guān)模式電源的任何PCB相關(guān)問題降到最小。