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(dāng)考慮怎樣才能最好地為開關(guān)電源設(shè)計(jì)電路板時(shí)，最好首先考慮一下它的最終目的，即提供一個(gè)特定數(shù)值的穩(wěn)定電壓。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員會謹(jǐn)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?yàn)檫@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(jì)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(yàn)的工程師簡單地畫三條短線表示接地可能是一個(gè)誤區(qū)，這個(gè)符號會給初學(xué)者一種錯(cuò)覺，簡單認(rèn)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(fù)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(gè)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(gè)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(zhǔn)電壓和兩個(gè)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(zhǔn)、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(zhǔn)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?yàn)橐蠓€(wěn)壓器提供精確電壓的負(fù)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(jì)原則同樣適用于其它拓?fù)涞拈_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(shí)現(xiàn)無抖動(dòng)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(shí)能夠產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)確的取樣，而這個(gè)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(zhǔn)必須通過緊靠REF引腳安裝的電容旁路;基準(zhǔn)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(yuǎn)離嘈雜的功率地。這個(gè)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(jìn)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(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，電流流過輸入回路;當(dāng)MOSFET斷開時(shí)，電流流過輸出回路。將這兩個(gè)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(yuǎn)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(gè)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(gè)電流環(huán)路的元件布板時(shí)，需要特別謹(jǐn)慎。使用短且寬的引線實(shí)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(shí)際的電路板布局需要一些折中考慮，特別是在為上述兩個(gè)大電流環(huán)路布局時(shí)。如果需要決定將哪些需要就近安裝的元件真正地實(shí)現(xiàn)就近安裝，擇須確定每個(gè)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(xiàng)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(dāng)調(diào)節(jié)器從電源汲取快速變化的電流時(shí)，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(jì)人員在靠近上述兩個(gè)功率環(huán)路的位置安裝了輸入旁路電容(有時(shí)使用兩個(gè)電容：一個(gè)陶瓷電容與一個(gè)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。