開關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)規(guī)范

在任何開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，PCB板的物理設(shè)計(jì)都是最后一個(gè)環(huán)節(jié)，如果設(shè)計(jì)方法不當(dāng)，PCB可能會(huì)輻射過多的電磁干擾，造成電源工作不穩(wěn)定。特別是面臨如今性能強(qiáng)大的開關(guān)穩(wěn)壓器和電源越來越緊湊，開關(guān)電源的開關(guān)頻率越來越高。這使得PCB的設(shè)計(jì)越來越困難。本文就這一難題提出一些建議，希望對(duì)電子設(shè)計(jì)師們有所幫助。
　　考慮一個(gè)將24V降為3.3V的3A開關(guān)穩(wěn)壓器。設(shè)計(jì)這樣一個(gè)10W穩(wěn)壓器初看起來不會(huì)太困難，設(shè)計(jì)人員可能很快就可以進(jìn)入實(shí)現(xiàn)階段。不過，讓我們看看在采用Webench等設(shè)計(jì)軟件后，實(shí)際會(huì)遇到哪些問題。如果我們輸入上述要求，Webench會(huì)從若干IC中選出“Simpler Switcher”系列中的LM25576(一款包括3A FET的42V輸入器件)。該芯片采用帶散熱墊的TSSOP-20封裝。
　　Webench菜單中包括了對(duì)體積或效率的設(shè)計(jì)優(yōu)化。設(shè)計(jì)需要大容量的電感和電容，從而需要占用較大的PCB空間。Webench提供如表1的選擇。

　　
　　表1：
　　值得注意的是，最高效率是84%，且此最高效率是當(dāng)輸入-輸出間的壓差很低時(shí)實(shí)現(xiàn)的。此例中，輸入/輸出比大于7。一般情況下，可以用兩級(jí)電路來降低級(jí)與級(jí)之間的比率，但通過兩個(gè)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)的效率不會(huì)更好。

　　
　　圖1：通過兩個(gè)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)的效率不會(huì)更好。
　　接著，我們選PCB面積最小的最高開關(guān)頻率。高開關(guān)頻率最可能在版圖方面產(chǎn)生問題。Webench可以生成帶全部有源和無源器件的電路圖。

　　
　　圖2：簡(jiǎn)化的開關(guān)電源電路圖。
　　圖2所示的簡(jiǎn)化電路圖對(duì)了解基本情況幫助甚大。看一看電流通路：把FET在導(dǎo)通狀態(tài)下的回路標(biāo)記為紅色；把FET在截至狀態(tài)下的回路標(biāo)記為綠色。我們可以觀察到兩種不同情況：有兩種顏色的區(qū)域和僅一種顏色的區(qū)域。我們必須特別關(guān)注后一種情況，因此時(shí)電流在零和滿量程之間交替變化。這些是具有高di/dt的區(qū)域。
　　高di/dt的交變電流將在PCB導(dǎo)線周圍產(chǎn)生顯著的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將成為該電路內(nèi)其它器件甚至同一或鄰近PCB上其它電路的主要干擾源。假定這不是交變電流，那么公共電流通路并不是太重要，di/dt的影響也小得多。另一方面，隨著時(shí)間變化，這些區(qū)域?qū)⒊休d更大負(fù)載。本例中，從二極管陰極到輸出以及從輸出地到二極管陽(yáng)極就是公共通路。當(dāng)輸出電容器充放電時(shí)，該電容會(huì)產(chǎn)生很高的di/dt。連接輸出電容的所有線段必須滿足兩個(gè)條件：因?yàn)殡娏鞔?，因此它們的寬度要寬；為了最小化di/dt的影響，它們又必須盡量短。
　　PCB版圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　實(shí)際上，設(shè)計(jì)人員不應(yīng)采用把導(dǎo)線從Vout和地引至電容的方法實(shí)現(xiàn)所謂的傳統(tǒng)版圖。這些導(dǎo)線將承載很大的交變電流，因此將輸出和地直接連至電容端子是個(gè)更好的方法。這樣交替變化的電流僅表現(xiàn)在電容上。連接電容的其它導(dǎo)線現(xiàn)在承載的幾乎是恒定電流，因而與di/dt相關(guān)的任何問題得到了很好的解決。地是另一個(gè)經(jīng)常被誤解的難題。簡(jiǎn)單地在“第2層”放置一個(gè)地平面，并將全部地線連接到這一層不會(huì)有很好的效果。

　　
　　圖3：將輸出和地直接連至電容端子是個(gè)更好的方法。
　　讓我們看看為什么。我們的設(shè)計(jì)例子有高達(dá)3A的電流必須從地流回源(一個(gè)24V汽車電池或一個(gè)24V電源)。在二極管、COUT、CIN和負(fù)載的地連接處會(huì)有較大電流，而開關(guān)穩(wěn)壓器的地連接流經(jīng)的電流小。同樣情況也適用于電阻分壓器的參考地。若上述全部地引腳都連至一個(gè)地平面，將出現(xiàn)地線反彈現(xiàn)象。雖然很小，但電路中的敏感點(diǎn)(如借以獲得反饋電壓的電阻分壓器)將不會(huì)有穩(wěn)定的參考地。這樣，整個(gè)穩(wěn)壓精度將受到極大影響。實(shí)際上，隱藏在第二層地平面中的源還會(huì)產(chǎn)生“振鈴”現(xiàn)象，而且非常難以定位。
　　此外，大電流連接必定用到連接地平面的過孔，而過孔是另一個(gè)干擾和噪聲源。把CIN地連接作為電路輸入和輸出側(cè)所有大電流地導(dǎo)線的星型節(jié)點(diǎn)是個(gè)較好的解決方案。這個(gè)星型節(jié)點(diǎn)連接地平面和兩個(gè)小電流地連接(IC和分壓器)。

　　
　　圖4：
　　現(xiàn)在地平面會(huì)很潔凈：沒有大電流、沒有地線反彈。所有大電流地是以星型連接到CIN地。所有設(shè)計(jì)人員必須要做的事是使(全部在PCB頂層的)地導(dǎo)線盡可能短而粗。
　　需要檢查的節(jié)點(diǎn)是那些高阻抗節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兒苋菀妆桓蓴_。最關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是IC的反饋管腳，其信號(hào)取自電阻分壓器。FB管腳是放大器(如LM25576)或比較器(如采用磁滯穩(wěn)壓器的場(chǎng)合)的輸入。在兩種情況FB點(diǎn)的阻抗都相當(dāng)高。因此，電阻分壓器應(yīng)放置在FB管腳的右側(cè)，從電阻分壓器中間連一條短導(dǎo)線到FB。從輸出到電阻分壓器的導(dǎo)線是低阻抗的，可用較長(zhǎng)導(dǎo)線連至電阻分壓器。這里要緊的是布線方法而非導(dǎo)線長(zhǎng)度。而其它節(jié)點(diǎn)就并非如此關(guān)鍵了。所以不必?fù)?dān)心開關(guān)節(jié)點(diǎn)、二極管、COUT、開關(guān)穩(wěn)壓器IC的VIN 管腳或者CIN。
　　布線方法
　　布線方法將給電阻分壓器帶來差別。該導(dǎo)線從COUT連至電阻分壓器，它的地回到COUT。我們必須確保該回路不形成一個(gè)開放區(qū)域。開放區(qū)域會(huì)起到接收天線的作用。如果我們能保證導(dǎo)線下的地平面沒有干擾，那么由導(dǎo)線和導(dǎo)線下的地以及第1層和第2層之間的一段距離圍成的區(qū)域應(yīng)該也是沒有干擾的?，F(xiàn)在明白了，為什么地不應(yīng)放在第4層，因?yàn)榫嚯x顯著增加了。
　　另一種方法是將電阻分壓器的地連接布線在第1層，并且使兩條導(dǎo)線并行并盡可能靠近以使區(qū)域更小。這些觀點(diǎn)適用于信號(hào)流經(jīng)的全部導(dǎo)線：傳感器連接、放大器輸出、ADC或音頻功放的輸入。應(yīng)對(duì)每個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，以減少它們拾取噪聲的可能性。

　　
　　圖5：
　　只要有可能就盡量縮小開放的電路板區(qū)域面積的要求對(duì)低阻抗導(dǎo)線也同樣適用；在這種情況我們有一個(gè)潛在的向PCB其它部分或其它設(shè)備發(fā)射干擾信號(hào)的源(“天線”)。需要重申的是，開放電路板區(qū)域面積越小越好。
　　另外兩條導(dǎo)線也很關(guān)鍵，第一條是從IC的開關(guān)輸出到二極管和電感節(jié)點(diǎn)；第二條是從二極管到該節(jié)點(diǎn)。這兩條導(dǎo)線無論是在開關(guān)導(dǎo)通還是二極管流過電流時(shí)都有很高的di/dt，所以這些導(dǎo)線應(yīng)盡可能短而粗。從該節(jié)點(diǎn)到電感以及從電感到COUT的導(dǎo)線就不那么關(guān)鍵。在本例中，電感電流相對(duì)恒定而且變化緩慢。我們所要做的是確保它是低阻抗點(diǎn)以最小化壓降。
　　實(shí)際樣例分析

　　
　　圖6：比較好的開關(guān)電源版圖設(shè)計(jì)。
　　圖6是一個(gè)比較好的版圖設(shè)計(jì)。主要元件是一款與外部FET配合使用并采用MSOP-8封裝的控制器。注意CIN附近的空間，該電容的接地點(diǎn)直接連至二極管陽(yáng)極。你無法使“電源地”內(nèi)的導(dǎo)線更短！FET[SW]可向上移動(dòng)幾毫米以縮短陰極-電感-FET之間的導(dǎo)線。
　　COUT區(qū)域是看不到的。但我們可觀察到電阻分壓器(FB1- FB2)非常接近該IC。FB2與另一個(gè)獨(dú)立的地平面連接，IC的地管腳也作同樣處理。利用三個(gè)過孔把“信號(hào)”地連至地平面，而“電源”地也是利用三個(gè)過孔連接PCB的GND腳。這樣，“信號(hào)”地就看不到“電源”地上發(fā)生的任何地線反彈。