非隔離式開關(guān)電源的PCB布局考慮

當(dāng)一塊原型電源板首次加電時(shí)，最好的情況是它不僅能工作，而且還安靜、發(fā)熱低。然而，這種情況并不多見。

開關(guān)電源的一個(gè)常見問題是“不穩(wěn)定”的開關(guān)波形。有些時(shí)候，波形抖動(dòng)處于聲波段，磁性元件會(huì)產(chǎn)生出音頻噪聲。如果問題出在印刷電路板的布局上，要找出原因可能會(huì)很困難。因此，開關(guān)電源設(shè)計(jì)初期的正確PCB布局就非常關(guān)鍵。

電源設(shè)計(jì)者要很好地理解技術(shù)細(xì)節(jié)，以及最終產(chǎn)品的功能需求。因此，從電路板設(shè)計(jì)項(xiàng)目一開始，電源設(shè)計(jì)者應(yīng)就關(guān)鍵性電源布局，與PCB布局設(shè)計(jì)人員展開密切合作。

一個(gè)好的布局設(shè)計(jì)可優(yōu)化電源效率，減緩熱應(yīng)力；更重要的是，它最大限度地減小了噪聲，以及走線與元件之間的相互作用。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，設(shè)計(jì)者必須了解開關(guān)電源內(nèi)部的電流傳導(dǎo)路徑以及信號流。要實(shí)現(xiàn)非隔離開關(guān)電源的正確布局設(shè)計(jì)，務(wù)必牢記以下這些設(shè)計(jì)要素。

布局規(guī)劃

對一塊大電路板上的嵌入dc/dc電源，要獲得最佳的電壓調(diào)節(jié)、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)效率，就要使電源輸出靠近負(fù)載器件，盡量減少PCB走線上的互連阻抗和傳導(dǎo)壓降。確保有良好的空氣流，限制熱應(yīng)力；如果能采用強(qiáng)制氣冷措施，則要將電源靠近風(fēng)扇位置。

另外，大型無源元件(如電感和電解電容)均不得阻擋氣流通過低矮的表面封裝半導(dǎo)體元件，如功率MOSFET或PWM控制器。為防止開關(guān)噪聲干擾到系統(tǒng)中的模擬信號，應(yīng)盡可能避免在電源下方布放敏感信號線；否則，就需要在電源層和小信號層之間放置一個(gè)內(nèi)部接地層，用做屏蔽。

關(guān)鍵是要在系統(tǒng)早期設(shè)計(jì)和規(guī)劃階段，就籌劃好電源的位置，以及對電路板空間的需求。有時(shí)設(shè)計(jì)者會(huì)無視這種忠告，而把關(guān)注點(diǎn)放在大型系統(tǒng)板上那些更“重要”或“讓人興奮”的電路。電源管理被看作事后工作，隨便把電源放在電路板上的多余空間上，這種做法對高效率而可靠的電源設(shè)計(jì)十分不利。

對于多層板，很好的方法是在大電流的功率元件層與敏感的小信號走線層之間布放直流地或直流輸入/輸出電壓層。地層或直流電壓層提供了屏蔽小信號走線的交流地，使其免受高噪聲功率走線和功率元件的干擾。

作為一般規(guī)則，多層PCB板的接地層或直流電壓層均不應(yīng)被分隔開。如果這種分隔不可避免，就要盡量減少這些層上走線的數(shù)量和長度，并且走線的布放要與大電流保持相同的方向，使影響最小化。

圖1a和1c分別是六層和四層開關(guān)電源PCB的不良層結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)將小信號層夾在大電流功率層和地層之間，因此增加了大電流/電壓功率層與模擬小信號層之間耦合的電容噪聲。

圖中的1b和1d則分別是六層和四層PCB設(shè)計(jì)的良好結(jié)構(gòu)，有助于最大限度減少層間耦合噪聲，地層用于屏蔽小信號層。要點(diǎn)是：一定要挨著外側(cè)功率級層放一個(gè)接地層，外部大電流的功率層要使用厚銅箔，盡量減少PCB傳導(dǎo)損耗和熱阻。

功率級的布局

開關(guān)電源電路可以分為功率級電路和小信號控制電路兩部分。功率級電路包含用于傳輸大電流的元件，一般情況下，要首先布放這些元件，然后在布局的一些特定點(diǎn)上布放小信號控制電路。

大電流走線應(yīng)短而寬，盡量減少PCB的電感、電阻和壓降。對于那些有高di/dt脈沖電流的走線，這方面尤其重要。

圖2給出了一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器中的連續(xù)電流路徑和脈沖電流路徑，實(shí)線表示連續(xù)電流路徑，虛線代表脈沖(開關(guān))電流路徑。脈沖電流路徑包括連接到下列元件上的走線：輸入去耦陶瓷電容CHF；上部控制FET QT；以及下部同步FET QB，還有選接的并聯(lián)肖特基二極管。

圖3a給出了高di/dt電流路徑中的PCB寄生電感。由于存在寄生電感，因此脈沖電流路徑不僅會(huì)輻射磁場，而且會(huì)在PCB走線和MOSFET上產(chǎn)生大的電壓振鈴和尖刺。為盡量減小PCB電感，脈沖電流回路(所謂熱回路)布放時(shí)要有最小的圓周，其走線要短而寬。

高頻去耦電容CHF應(yīng)為0.1μF~10μF，X5R或X7R電介質(zhì)的陶瓷電容，它有極低的ESL(有效串聯(lián)電感)和ESR(等效串聯(lián)電阻)。較大的電容電介質(zhì)(如Y5V)可能使電容值在不同電壓和溫度下有大的下降，因此不是CHF的最佳材料。

圖3b為降壓轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵脈沖電流回路提供了一個(gè)布局例子。為了限制電阻壓降和過孔數(shù)量，功率元件都布放在電路板的同一面，功率走線也都布在同一層上。當(dāng)需要將某根電源線走到其它層時(shí)，要選擇在連續(xù)電流路徑中的一根走線。當(dāng)用過孔連接大電流回路中的PCB層時(shí)，要使用多個(gè)過孔，盡量減小阻抗。圖4顯示的是升壓轉(zhuǎn)換器中的連續(xù)電流回路與脈沖電流回路。此時(shí)，應(yīng)在靠近MOSFET QB與升壓二極管D的輸出端放置高頻陶瓷電容CHF。

圖5是升壓轉(zhuǎn)換器中脈沖電流回路的一個(gè)布局例子。此時(shí)關(guān)鍵在于盡量減小由開關(guān)管QB、整流二極管D和高頻輸出電容CHF形成的回路。

圖5，本圖顯示的是升壓轉(zhuǎn)換器中的熱回路與寄生PCB電感(a)；為減少熱回路面積而建議采用的布局(b)。

圖6和圖7(略)提供了一個(gè)同步降壓電路的例子，它強(qiáng)調(diào)了去耦電容的重要性。圖6a是一個(gè)雙相12VIN、2.5VOUT/30A(最大值)的同步降壓電源，使用了LTC3729雙相單VOUT控制器IC。在無負(fù)載時(shí)，開關(guān)結(jié)點(diǎn)SW1和SW2的波形以及輸出電感電流都是穩(wěn)定的(圖6b)。但如果負(fù)載電流超過13A，SW1結(jié)點(diǎn)的波形就開始丟失周期。負(fù)載電流更高時(shí)，問題會(huì)更惡化(圖6c)。

在各個(gè)通道的輸入端增加兩只1μF的高頻陶瓷電容，就可以解決這個(gè)問題，電容隔離開了每個(gè)通道的熱回路面積，并使之最小化。即使在高達(dá)30A的最大負(fù)載電流下，開關(guān)波形仍很穩(wěn)定。高DV/DT開關(guān)區(qū)

圖2和圖4中，在VIN(或VOUT)與地之間的SW電壓擺幅有高的dv/dt速率。這個(gè)結(jié)點(diǎn)上有豐富的高頻噪聲分量，是一個(gè)強(qiáng)大的EMI噪聲源。為了盡量減小開關(guān)結(jié)點(diǎn)與其它噪聲敏感走線之間的耦合電容，你可能會(huì)讓SW銅箔面積盡可能小。但是，為了傳導(dǎo)大的電感電流，并且為功率MOSFET管提供散熱區(qū)，SW結(jié)點(diǎn)的PCB區(qū)域又不能夠太小。一般建議在開關(guān)結(jié)點(diǎn)下布放一個(gè)接地銅箔區(qū)，提供額外的屏蔽。

如果設(shè)計(jì)中沒有用于表面安裝功率MOSFET與電感的散熱器，則銅箔區(qū)必須有足夠的散熱面積。對于直流電壓結(jié)點(diǎn)(如輸入/輸出電壓與電源地)，合理的方法是讓銅箔區(qū)盡可能大。

多過孔有助于進(jìn)一步降低熱應(yīng)力。要確定高dv/dt開關(guān)結(jié)點(diǎn)的合適銅箔區(qū)面積，就要在盡量減小dv/dt相關(guān)噪聲與提供良好的MOSFET散熱能力兩者間做一個(gè)設(shè)計(jì)平衡。

功率焊盤形式

注意功率元件的焊盤形式，如低ESR電容、MOSFET、二極管和電感。圖8a(略)和8b(略)分別給出了不合理和合理的功率元件焊盤形式。

對于去耦電容，正負(fù)極過孔應(yīng)盡量互相靠近，以減少PCB的ESL。這對低ESL電容尤其有效。小容值低ESR的電容通常較貴，不正確的焊盤形式及不良走線都會(huì)降低它們的性能，從而增加整體成本。通常情況下，合理的焊盤形式能降低PCB噪聲，減小熱阻，并最大限度降低走線阻抗以及大電流元件的壓降。

大電流功率元件布局時(shí)有一個(gè)常見的誤區(qū)，那就是不正確地采用了熱風(fēng)焊盤(thermal relief)，如圖8a(略)所示。非必要情況下使用熱風(fēng)焊盤，會(huì)增加功率元件之間的互連阻抗，從而造成較大的功率損耗，降低小ESR電容的去耦效果。如果在布局時(shí)用過孔來傳導(dǎo)大電流，要確保它們有充足的數(shù)量，以減少阻抗。此外，不要對這些過孔使用熱風(fēng)焊盤。

圖9(略)是有多個(gè)板上電源的應(yīng)用，這些電源共享相同的輸入電壓軌。當(dāng)這些電源互相不同步時(shí)，就需要將輸入電流走線隔離開來，以避免不同電源之間耦合公共阻抗噪聲。每個(gè)電源擁有一個(gè)本地的輸入去耦電容倒是不太關(guān)鍵。

對于一只PolyPhase單輸出轉(zhuǎn)換器，為每個(gè)相做一個(gè)對稱布局有助于熱應(yīng)力的均衡。

布局設(shè)計(jì)實(shí)例

圖10(略)是一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，它是一個(gè)3.5V~14V，最大輸出1.2V/40A的雙相同步降壓轉(zhuǎn)換器， 使用了LTC3855 PolyPhase電流模式步進(jìn)降壓控制器。在開始PCB布局前，一個(gè)好的習(xí)慣是在邏輯圖上用不同顏色特別標(biāo)示出大電流走線、高噪聲的高dv/dt走線，以及敏感的小信號走線。這種圖將有助于PCB設(shè)計(jì)者區(qū)分開各種走線。

圖11(略)是這個(gè)1.2V/40A電源的功率元件層上的功率級布局例子。圖中，QT是高側(cè)控制MOSFET，QB是低側(cè)同步FET?？蛇x擇增加QB的接地面積，以獲得更多的輸出電流。在功率元件層的下方，放了一個(gè)實(shí)心的電源地層。

控制電路布局

使控制電路遠(yuǎn)離高噪聲的開關(guān)銅箔區(qū)。對降壓轉(zhuǎn)換器，好的辦法是將控制電路置于靠近VOUT+端，而對升壓轉(zhuǎn)換器，控制電路則要靠近VIN+端，讓功率走線承載連續(xù)電流。

如果空間允許，控制IC與功率MOSFET及電感(它們都是高噪聲高熱量元件)之間要有小的距離(0.5英寸~1英寸)。如果空間緊張，被迫將控制器置于靠近功率MOSFET與電感的位置，則要特別注意用地層或接地走線，將控制電路與功率元件隔離開來。

圖12(略)是LTC3855電源的較好的隔