淺析消除PCB布局帶來的噪聲問題

“噪聲問題！”——這是每位電路板設(shè)計(jì)師都會(huì)聽到的四個(gè)字。為了解決噪聲問題，往往要花費(fèi)數(shù)小時(shí)的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，以便揪出元兇，但最終卻發(fā)現(xiàn)，噪聲是由開關(guān)電源的布局不當(dāng)而引起的。

這里推薦一個(gè)ADI的所有電源器件評(píng)估板都采用的布局布線指導(dǎo)原則，以幫助j大家避免此類噪聲問題。文中的示例開關(guān)調(diào)節(jié)器布局采用雙通道同步開關(guān)控制器ADP1850，第一步是確定調(diào)節(jié)器的電流路徑。然后，電流路徑?jīng)Q定了器件在該低噪聲布局布線設(shè)計(jì)中的位置。

◆◆一、確定電流路徑◆◆

在開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，高電流路徑和低電流路徑彼此非?？拷?。交流(AC)路徑攜帶有尖峰和噪聲，高直流(DC)路徑會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的壓降，低電流路徑往往對(duì)噪聲很敏感。適當(dāng)PCB布局布線的關(guān)鍵在于確定關(guān)鍵路徑，然后安排器件，并提供足夠的銅面積以免高電流破壞低電流。性能不佳的表現(xiàn)是接地反彈和噪聲注入IC及系統(tǒng)的其余部分。

圖1所示為一個(gè)同步降壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，它包括一個(gè)開關(guān)控制器和以下外部電源器件：高端開關(guān)、低端開關(guān)、電感、輸入電容、輸出電容和旁路電容。圖1中的箭頭表示高開關(guān)電流流向。必須小心放置這些電源器件，避免產(chǎn)生不良的寄生電容和電感，導(dǎo)致過大噪聲、過沖、響鈴振蕩和接地反彈。

圖1. 典型開關(guān)調(diào)節(jié)器(顯示交流和直流電流路徑)

諸如DH、DL、BST和SW之類的開關(guān)電流路徑離開控制器后需妥善安排，避免產(chǎn)生過大寄生電感。這些線路承載的高δI/δt交流開關(guān)脈沖電流可能達(dá)到3A以上并持續(xù)數(shù)納秒。高電流環(huán)路必須很小，以盡可能降低輸出響鈴振蕩，并且避免拾取額外的噪聲。

低值、低幅度信號(hào)路徑，如補(bǔ)償和反饋器件等，對(duì)噪聲很敏感。應(yīng)讓這些路徑遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)和電源器件，以免注入干擾噪聲。

◆◆二、布局物理規(guī)劃◆◆

PCB物理規(guī)劃(foor plan)非常重要，必須使電流環(huán)路面積最小，并且合理安排電源器件，使得電流順暢流動(dòng)，避免尖角和窄小的路徑。這將有助于減小寄生電容和電感，從而消除接地反彈。

圖2所示為采用開關(guān)控制器ADP1850的雙路輸出降壓轉(zhuǎn)換器的PCB布局。請(qǐng)注意，電源器件的布局將電流環(huán)路面積和寄生電感降至最小。虛線表示高電流路徑。同步和異步控制器均可以使用這一物理規(guī)劃技術(shù)。在異步控制器設(shè)計(jì)中，肖特基二極管取代低端開關(guān)。

圖2. 采用ADP1850控制器的雙路輸出降壓轉(zhuǎn)換器的PCB布局

◆◆NOTES◆◆

電源器件：MOSFET和電容(輸入、旁路和輸出)

頂部和底部電源開關(guān)處的電流波形是一個(gè)具有非常高δI/δt的脈沖。因此，連接各開關(guān)的路徑應(yīng)盡可能短，以盡量降低控制器拾取的噪聲和電感環(huán)路傳輸?shù)脑肼?。在PCB一側(cè)上使用一對(duì)DPAK或SO-8封裝的FET時(shí)，最好沿相反方向旋轉(zhuǎn)這兩個(gè)FET，使得開關(guān)節(jié)點(diǎn)位于該對(duì)FET的一側(cè)，并利用合適的陶瓷旁路電容將高端漏電流旁路到低端源。務(wù)必將旁路電容盡可能靠近MOSFET放置(參見圖2)，以盡量減小穿過FET和電容的環(huán)路周圍的電感。

輸入旁路電容和輸入大電容的放置對(duì)于控制接地反彈至關(guān)重要。輸出濾波器電容的負(fù)端連接應(yīng)盡可能靠近低端MOSFET的源，這有助于減小引起接地反彈的環(huán)路電感。圖2中的Cb1和Cb2是陶瓷旁路電容，這些電容的推薦值范圍是1 μF至22 μF。對(duì)于高電流應(yīng)用，應(yīng)額外并聯(lián)一個(gè)較大值的濾波器電容，如圖2的CIN所示。

散熱考慮和接地層

在重載條件下，功率MOSFET、電感和大電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)會(huì)產(chǎn)生大量的熱。為了有效散熱，圖2的示例在這些電源器件下面放置了大面積的銅。

多層PCB的散熱效果好于2層PCB。為了提高散熱和導(dǎo)電性能，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)1盎司銅層上使用2盎司厚度的銅。多個(gè)PGND層通過過孔連在一起也會(huì)有幫助。圖3顯示一個(gè)4層PCB設(shè)計(jì)的頂層、第三層和第四層上均分布有PGND層。

圖3. 截面圖：連接PGND層以改善散熱

這種多接地層方法能夠隔離對(duì)噪聲敏感的信號(hào)。如圖2所示，補(bǔ)償器件、軟啟動(dòng)電容、偏置輸入旁路電容和輸出反饋分壓器電阻的負(fù)端全都連接到AGND層。請(qǐng)勿直接將任何高電流或高δI/δt路徑連接到隔離AGND層。AGND是一個(gè)安靜的接地層，其中沒有大電流流過。

所有電源器件(如低端開關(guān)、旁路電容、輸入和輸出電容等)的負(fù)端連接到PGND層，該層承載高電流。

GND層內(nèi)的壓降可能相當(dāng)大，以至于影響輸出精度。通過一條寬走線將AGND層連接到輸出電容的負(fù)端(參見圖4)，可以顯著改善輸出精度和負(fù)載調(diào)節(jié)。

圖4. AGND層到PGND層的連接

AGND層一路擴(kuò)展到輸出電容，AGND層和PGND層在輸出電容的負(fù)端連接到過孔。

圖2顯示了另一種連接AGND和PGND層的技術(shù)，AGND層通過輸出大電容負(fù)端附近的過孔連接到PGND層。圖3顯示了PCB上某個(gè)位置的截面，AGND層和PGND層通過輸出大電容負(fù)端附近的過孔相連。

電流檢測(cè)路徑

為了避免干擾噪聲引起精度下降，電流模式開關(guān)調(diào)節(jié)器的電流檢測(cè)路徑布局必須妥當(dāng)。雙通道應(yīng)用尤其要更加重視，消除任何通道間串?dāng)_。

雙通道降壓控制器ADP1850將低端MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)用作控制環(huán)路架構(gòu)的一部分。此架構(gòu)在SWx與PGNDx引腳之間檢測(cè)流經(jīng)低端MOSFET的電流。一個(gè)通道中的地電流噪聲可能會(huì)耦合到相鄰?fù)ǖ乐小Ｒ虼?，?wù)必使SWx和PGNDx走線盡可能短，并將其放在靠近MOSFET的地方，以便精確檢測(cè)電流。到SWx和PGNDx節(jié)點(diǎn)的連接務(wù)必采用開爾文檢測(cè)技術(shù)，如圖2和圖5所示。注意，相應(yīng)的PGNDx走線連接到低端MOSFET的源。不要隨意將PGND層連接到PGNDx引腳。

相比之下，對(duì)于ADP1829等雙通道電壓模式控制器，PGND1和PGND2引腳則是直接通過過孔連接到PGND層。

圖5. 兩個(gè)通道的接地技術(shù)

反饋和限流檢測(cè)路徑

反饋(FB)和限流(ILIM)引腳是低信號(hào)電平輸入，因此，它們對(duì)容性和感性噪聲干擾敏感。FB和ILIM走線應(yīng)避免靠近高δI/δt走線。注意不要讓走線形成環(huán)路，導(dǎo)致不良電感增加。在ILIM和PGND引腳之間增加一個(gè)小MLCC去耦電容(如22 pF)，有助于對(duì)噪聲進(jìn)行進(jìn)一步濾波。

開關(guān)節(jié)點(diǎn)

在開關(guān)調(diào)節(jié)器電路中，開關(guān)(SW)節(jié)點(diǎn)是噪聲最高的地方，因?yàn)樗休d著很大的交流和直流電壓/電流。因此SW節(jié)點(diǎn)需要較大面積的銅來盡可能降低阻性壓降。將MOSFET和電感彼此靠近放在銅層上，可以使串聯(lián)電阻和電感最小。

對(duì)電磁干擾、開關(guān)節(jié)點(diǎn)噪聲和響鈴振蕩更敏感的應(yīng)用可以使用一個(gè)小緩沖器。緩沖器由電阻和電容串聯(lián)而成(參見圖6中的RSNUB和CSNUB)，放在SW節(jié)點(diǎn)與PGND層之間，可以降低SW節(jié)點(diǎn)上的響鈴振蕩和電磁干擾。注意，增加緩沖器可能會(huì)使整體效率略微下降0.2%到0.4%。

圖6. 緩沖器和柵極電阻電阻

柵極驅(qū)動(dòng)器路徑

柵極驅(qū)動(dòng)走線(DH和DL)也要處理高δI/δt，往往會(huì)產(chǎn)生響鈴振蕩和過沖。這些走線應(yīng)盡可能短。最好直接布線，避免使用饋通過孔。如果必須使用過孔，則每條走線應(yīng)使用兩個(gè)過孔，以降低峰值電流密度和寄生電感。

在DH或DL引腳上串聯(lián)一個(gè)小電阻(約2 Ω至4 Ω)可以減慢柵極驅(qū)動(dòng)，從而也能降低柵極噪聲和過沖。另外，BST與SW引腳之間也可以連接一個(gè)電阻(參見圖6)。在布局期間用0Ω柵極電阻保留空間，可以提高日后進(jìn)行評(píng)估的靈活性。增加的柵極電阻會(huì)延長(zhǎng)柵極電荷上升和下降時(shí)間，導(dǎo)致MOSFET的開關(guān)功率損耗提高。

◆◆總結(jié)◆◆

了解電流路徑、其敏感性以及適當(dāng)?shù)钠骷胖?，是消除PCB布局設(shè)計(jì)噪聲問題的關(guān)鍵。ADI的所有電源器件評(píng)估板都采用上述布局布線指導(dǎo)原則來實(shí)現(xiàn)最佳性能。注意，所有開關(guān)電源都具有相同的元件和相似的電流路徑敏感性。因此，以針對(duì)電流模式降壓調(diào)節(jié)器的ADP1850為例說明的指導(dǎo)原則同樣適用于電壓模式和/或升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的布局布線。