讓你一次搞定開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)PCB布局關(guān)鍵

1、讓你一次搞定開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)PCB布局關(guān)鍵 - 全文來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)作者：秩名2014年02月27日 10:543分享訂閱導(dǎo)讀區(qū)分一個(gè)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)好壞的關(guān)鍵之一就在于能否實(shí)現(xiàn)良好的PCB布局，本文將為大家講解設(shè)計(jì)高頻開(kāi)關(guān)電源時(shí)的幾個(gè)關(guān)鍵布局技巧，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行分析，教大家如何在第一次設(shè)計(jì)中就實(shí)現(xiàn)良好PCB布局。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源PCB目前的交換式穩(wěn)壓器和電源設(shè)計(jì)更精巧、性能也更強(qiáng)大，但其面臨的挑戰(zhàn)之一，在于不斷加速的開(kāi)關(guān)頻率使得PCB設(shè)計(jì)更加困難。PCB布局正成為區(qū)分一個(gè)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)好壞的分水嶺。本文將就如何在第一次就實(shí)現(xiàn)良好PCB布局提出建議。以一個(gè)將24V降為3.3V的3A交換式穩(wěn)壓器為例。乍看之

2、下，一個(gè)10W穩(wěn)壓器不會(huì)太困難，所以設(shè)計(jì)師通常會(huì)忍不住直接進(jìn)入建構(gòu)階段。不過(guò)，在采用像美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的Webench等設(shè)計(jì)軟件后，我們可觀察該構(gòu)想實(shí)際上會(huì)遭遇哪些問(wèn)題。輸入上述要求后，Webench會(huì)選出該公司SimplerSwitcher系列的LM25576（一款包括3AFET的42V輸入組件）。它采用的是帶散熱墊的TSSOP-20封裝。Webench選項(xiàng)包括對(duì)體積或效率的設(shè)計(jì)最佳化，這些均為單一選項(xiàng)。即高效率要求低開(kāi)關(guān)頻率（降低FET內(nèi)的開(kāi)關(guān)損耗）。因此需要大容量的電感和電容，因而需更大PCB空間。注意：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

3、率大于7。一般情況，用兩個(gè)級(jí)降低級(jí)-級(jí)比率，但透過(guò)兩個(gè)穩(wěn)壓器得到的效率不會(huì)更好。接著，我們選擇最小PCB面積的最高開(kāi)關(guān)頻率。高開(kāi)關(guān)頻率最可能在布局方面產(chǎn)生問(wèn)題。隨后Webench產(chǎn)生包含所有主動(dòng)和被動(dòng)組件的電路圖。電路設(shè)計(jì)參考圖1的電流通路：把FET在導(dǎo)通狀態(tài)下流經(jīng)的通路標(biāo)記為紅色；把FET在關(guān)斷狀態(tài)下的回路標(biāo)記為綠色。我們觀察到兩種不同情況：兩種顏色區(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?yàn)榇藭r(shí)電流在零以及滿量程電壓間交替變化。這些均為高di/dt區(qū)域。圖1高di/dt的交流電在PCB導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生大量磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)是該電路內(nèi)其它組件甚至同一或鄰近PCB上其它電路的主要干擾源。由于

4、假設(shè)公共電流路徑不是交流電，因此它不是關(guān)鍵路徑，di/dt的影響也小得多。另一方面，隨著時(shí)間變化，這些區(qū)域的負(fù)載更大。本例中，從二極管陰極到輸出以及從輸出地到二極管陽(yáng)極是公共通路。當(dāng)輸出電容充放電時(shí)，該電容具有極高的di/dt。連接輸出電容的所有線路必須滿足兩個(gè)條件：由于電流大，它們要寬；為最小化di/dt影響，它們必須盡量短。圖2事實(shí)上，設(shè)計(jì)師不應(yīng)采用把導(dǎo)線從Vout和接地引至電容的所謂傳統(tǒng)布局方法。這些導(dǎo)線應(yīng)是流經(jīng)大交流電的。將輸出和接地直接連至電容端子是更好的方法。因此，交替變化的電流僅展現(xiàn)在電容上。連接電容的其它導(dǎo)線現(xiàn)在流經(jīng)的幾乎是恒定電流，且與di/dt相關(guān)的任何問(wèn)題都已被解決。圖3

5、接地設(shè)計(jì)是另一個(gè)經(jīng)常發(fā)生誤解之處。只是簡(jiǎn)單地在level2放置一個(gè)地平面并將全部接地連接連至其上并不會(huì)獲得好的結(jié)果。圖4讓我們看看為什么。我們的設(shè)計(jì)范例顯示，有高達(dá)3A的電流必須從接地流回到源端（一個(gè)24V汽車(chē)電池或一個(gè)24V電源）。在二極管、COUT、CIN和負(fù)載的接地連接處會(huì)有大電流。而交換式穩(wěn)壓器的接地連接流經(jīng)的電流小。同樣情況也適用于電阻分壓器的接地參考。若上述全部接地接腳都連至一個(gè)地平面，我們會(huì)遇到接地彈跳（groundbouncing）。雖然很小，但電路中的感應(yīng)點(diǎn)（如藉以獲得反饋電壓的電阻分壓器）將不會(huì)有穩(wěn)定的參考接地。這樣，整個(gè)穩(wěn)壓精密度將受到極大影響。實(shí)際上，我們甚至?xí)碾[藏在

6、level2的地平面中得到震鈴（ringing），而該震鈴非常難以定位。另外，大電流連接必須用到連接地平面的過(guò)孔，而過(guò)孔是另一個(gè)干擾和噪聲源。把CIN接地連接作為電路輸入和輸出側(cè)所有大電流接地導(dǎo)線的星節(jié)點(diǎn)是更好的方案。星節(jié)點(diǎn)連接地平面及兩個(gè)小電流接地連接（IC和分壓器）。圖5現(xiàn)在地平面很潔凈：沒(méi)有大電流、沒(méi)有地彈跳。所有大電流地是以星型與CIN地連接起來(lái)的。所有設(shè)計(jì)師必須做的是使接地導(dǎo)線（全部在PCB的第一層）盡可能短而粗。在這種背景下，若節(jié)省銅，基本上不會(huì)獲得好結(jié)果。節(jié)點(diǎn)阻抗應(yīng)檢查高阻抗節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兒苋菀妆桓蓴_。最關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是IC的反饋接腳，其訊號(hào)取自電阻分壓器。FB接腳是放大器（如LM25

7、576）或比較器的輸入（如采用磁滯穩(wěn)壓器的場(chǎng)合）。在兩種情況，F(xiàn)B點(diǎn)的阻抗都相當(dāng)高。因此，電阻分壓器應(yīng)放置在FB接腳的右側(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，且可用較長(zhǎng)導(dǎo)線連至電阻分壓器。此處的重點(diǎn)是布線方法而非導(dǎo)線長(zhǎng)度。其它節(jié)點(diǎn)就不是如此關(guān)鍵了。所以不必憂慮開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)、二極管、COUT、開(kāi)關(guān)IC的VIN接腳或CIN。布線技巧布線手法會(huì)為電阻分壓器帶來(lái)差別。該導(dǎo)線從COUT連至電阻分壓器，其接地回到COUT。我們必須確保該回路不會(huì)形成一個(gè)開(kāi)放區(qū)域。開(kāi)放區(qū)域會(huì)產(chǎn)生接收天線的作用。若我們能保證導(dǎo)線下的地平面是沒(méi)被干擾的，則由導(dǎo)線和其下的接地以及l(fā)evel1和lev

8、el2間形成的區(qū)域應(yīng)是不受干擾的?，F(xiàn)在，我們可得知為何接地不應(yīng)放在level4，因?yàn)榫嚯x顯著增加了。另一種方式是電阻分壓器的地連接可布線至level1，使兩條導(dǎo)線平行并盡可能靠近以使區(qū)域更小。這些觀察適用于訊號(hào)流經(jīng)的全部導(dǎo)線：傳感器連接、放大器輸出、ADC或音訊功率放大器的輸入。對(duì)每個(gè)模擬訊號(hào)，都要處理得使其不太容易導(dǎo)入噪聲。只要有可能，就盡量最小化開(kāi)放區(qū)域的這個(gè)要求，對(duì)低阻抗導(dǎo)線也同樣適用；在這種情況下，我們有一個(gè)向PCB其它部份或其它設(shè)備發(fā)射干擾訊號(hào)的潛在源（天線）。注意：就開(kāi)放區(qū)域來(lái)說(shuō)是越小越好。以下兩條導(dǎo)線也很關(guān)鍵：從IC的開(kāi)關(guān)輸出到二極管和電感節(jié)點(diǎn)；從二極管到該節(jié)點(diǎn)。這兩條導(dǎo)線都有很高的di/dt：無(wú)論是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通還是二極管流過(guò)電流，所以導(dǎo)線應(yīng)盡可能短而粗。從節(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)恒定且變化緩慢。我們要做的是確保它是低阻抗點(diǎn)以最小化壓降。實(shí)際布局我們看一下好的布局（下面）。主要組件是一款與外接FET一起使用的MSOP-8封裝控制器。觀察CIN附近的空間。注意：該電容的接地點(diǎn)直接連至二極管陽(yáng)極。你無(wú)法使電源地內(nèi)的導(dǎo)線過(guò)短！FETSW應(yīng)向上移動(dòng)幾毫米以縮短陰極-電感-FET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)地平面連接，IC的地接腳也一樣處理。利用三