如何快速創(chuàng)建開關(guān)電源的PCB版圖設(shè)計？

如今的開關(guān)穩(wěn)壓器和電源越來越緊湊，性能也日益強大，而越來越高的開關(guān)頻率是設(shè)計人員面臨的主要問題之一，正是它使得PCB的設(shè)計越來越困難。事實上，PCB版圖已經(jīng)成為區(qū)分好與差的開關(guān)電源設(shè)計的分水嶺。本文針對如何一次性創(chuàng)建優(yōu)秀PCB版圖提出一些建議。

考慮一個將24V降為3.3V的3A開關(guān)穩(wěn)壓器。設(shè)計這樣一個10W穩(wěn)壓器初看起來不會太困難，設(shè)計人員可能很快就可以進入實現(xiàn)階段。不過，讓我們看看在采用Webench等設(shè)計軟件后，實際會遇到哪些問題。如果我們輸入上述要求，Webench會從若干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菜單中包括了對體積或效率的設(shè)計優(yōu)化。設(shè)計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實現(xiàn)的。此例中，輸入/輸出比大于7。一般情況下，可以用兩級電路來降低級與級之間的比率，但通過兩個穩(wěn)壓器實現(xiàn)的效率不會更好。

圖1：通過兩個穩(wěn)壓器實現(xiàn)的效率不會更好。

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：簡化的開關(guān)電源電路圖。

圖2所示的簡化電路圖對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，該磁場將成為該電路內(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極就是公共通路。當(dāng)輸出電容器充放電時，該電容會產(chǎn)生很高的di/dt。連接輸出電容的所有線段必須滿足兩個條件：因為電流大，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)計要點

實際上，設(shè)計人員不應(yīng)采用把導(dǎo)線從Vout和地引至電容的方法實現(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。地是另一個經(jīng)常被誤解的難題。簡單地在“第2層”放置一個地平面，并將全部地線連接到這一層不會有很好的效果。

圖3：將輸出和地直接連至電容端子是個更好的方法。