開關(guān)型調(diào)節(jié)器的電路板布局技術(shù)

摘要：本文介紹了開關(guān)型調(diào)節(jié)器的電路板布局的基本原則。盡管本文集中分析的是升壓型開關(guān)型調(diào)節(jié)器，但它所包含的原理同樣適合其它類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器。本文討論了接地方法、元器件布局、降低噪聲輻射以及減少寄生電容和電感的重要性。

當考慮怎樣才能最好地為開關(guān)電源設(shè)計電路板時，最好首先考慮一下它的最終目的，即提供一個特定數(shù)值的穩(wěn)定電壓。有經(jīng)驗的設(shè)計人員會謹慎考慮電路的接地方法，從而獲得穩(wěn)定的電壓。他們知道很難獲得完美的接地方案—因為這不僅僅是接地問題，任何接地工作都會直接影響到電路的性能，設(shè)計人員還要特別注意各種穩(wěn)壓元件的位置。

接地讓沒有經(jīng)驗的工程師簡單地畫三條短線表示接地可能是一個誤區(qū)，這個符號會給初學者一種錯覺，簡單認為接地是一種理想情況。如果用一條較長的引線把電路的各種元器件連接到電源或電池的負端，您可能從直覺上意識到這條地線并非理想的接地。這條引線表明電流通過地層或地線的電阻、電感流回電源，在這個過程中會產(chǎn)生相應(yīng)的壓降。因此，接地回路不會穩(wěn)定在一個理想的穩(wěn)壓值—即通常所說的0V。

圖1所示boost轉(zhuǎn)換器說明了考慮接地的重要性，該調(diào)節(jié)器依靠控制器IC內(nèi)部的基準電壓和兩個反饋電阻產(chǎn)生特定的輸出電壓。為了獲得正確的反饋從而得到正確的輸出電壓，電壓基準、電阻分壓器以及輸出電容必須處于同一電位。確切地說，控制器的模擬地引腳(電壓基準的地)和電阻分壓器的地電位必須與輸出電容的地電位相等。輸出電容接地端的電壓至關(guān)重要，因為要求穩(wěn)壓器提供精確電壓的負載通常緊靠著輸出電容安裝—這部分地是反饋電壓的參考端。

圖1. 升壓型開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電路板布局設(shè)計原則同樣適用于其它拓撲的開關(guān)型調(diào)節(jié)器

另一原因是控制器需要精確的電壓反饋，為了實現(xiàn)無抖動的開關(guān)操作，控制器需要在輸出電壓出現(xiàn)任何交流干擾時能夠產(chǎn)生一個準確的取樣，而這個精確的取樣是通過反饋網(wǎng)絡(luò)得到的。

元件布局除了接地方案，合理的布局穩(wěn)壓元件也很重要。例如，控制器內(nèi)部的電壓基準必須通過緊靠REF引腳安裝的電容旁路;基準電壓的噪聲會直接影響輸出電壓。同樣，該旁路電容的地端必須連接到低噪聲的參考地(與控制器的模擬地以及電阻分壓器的地端相連)，遠離嘈雜的功率地。這個低噪聲參考地和嘈雜的功率地之間的隔離至關(guān)重要。

既然嘈雜的功率地和低噪聲參考地最終還是要連接到一起，為何還必須將二者隔離呢? 為了防止較大的開關(guān)電流通過模擬小信號的地回路進入電池或電源，這樣的隔離是必需的。一旦出現(xiàn)這種狀況，敏感信號的地回路遭到干擾;較大的開關(guān)電流流經(jīng)地回路的電阻、電感，使地回路的電平沿著路徑發(fā)生變化。

了解嘈雜的功率電路有助于找尋將它與其余電路隔離開的最佳方法。圖2描述了調(diào)節(jié)器的功率電路，包括兩條電流路徑：當MOSFET導通時，電流流過輸入回路;當MOSFET斷開時，電流流過輸出回路。將這兩個環(huán)路的元件相互靠近布局，可以把大電流限制在調(diào)節(jié)器的功率電路部分(遠離低噪聲元件的地回路)。CIN、L1和Q1必須相互靠近放置，CIN、L1、D1和COUT也必須相互靠近。圖2特別指明了這兩個環(huán)路以及需要靠近安裝的元件。

圖2. 在為本圖所示的兩個電流環(huán)路的元件布板時，需要特別謹慎。使用短且寬的引線實現(xiàn)如此密集的布線，可以提高效率，減小振鈴，并可避免干擾低噪電路。

實際的電路板布局需要一些折中考慮，特別是在為上述兩個大電流環(huán)路布局時。如果需要決定將哪些需要就近安裝的元件真正地實現(xiàn)就近安裝，擇須確定每個環(huán)路中的哪些元件有不連續(xù)的電流流過。就近安裝元件可以最大限度地減少寄生電感，而這些具有不連續(xù)電流的元件位置對于減少寄生電感非常重要。請參考將寄生電容和寄生電感減至最小。

其它考慮事項不管是采用電池還是電源為升壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器供電，電源阻抗都不為零。這意味著當調(diào)節(jié)器從電源汲取快速變化的電流時，電源的電壓將發(fā)生變化。為了改善這種效應(yīng)，電路設(shè)計人員在靠近上述兩個功率環(huán)路的位置安裝了輸入旁路電容(有時使用兩個電容：一個陶瓷電容與一個有極性電容并聯(lián))。這一舉措并非為了保持功率電路的電源穩(wěn)定—即使電源電壓發(fā)生變化，功率電路也能很好工作。然而，將旁路電容靠近功率電路安裝可以限制大電流注入功率電路，避免對低噪電路的干擾。