工程師詳解非隔離式開(kāi)關(guān)電源PCB布局設(shè)計(jì)技巧

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(guò)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(guò)孔連接大電流回路中的PCB層時(shí)，要使用多個(gè)過(guò)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 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(kāi)關(guān)管QB、整流二極管D和高頻輸出電容CHF形成的回路。圖6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(wú)負(fù)載時(shí)，開(kāi)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(guò)13A，SW1結(jié)點(diǎn)的波形就開(kāi)始丟失周期。負(fù)載電流更高時(shí)，問(wèn)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(wèn)題，電容隔離開(kāi)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(kāi)關(guān)波形仍很穩(wěn)定。高DV/DT開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(méi)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(duì)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(guò)孔有助于進(jìn)一步降低熱應(yīng)力。要確定高dv/dt開(kāi)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(pán)形式

注意功率元件的焊盤(pán)形式，如低ESR電容、MOSFET、二極管和電感。

對(duì)于去耦電容，正負(fù)極過(guò)孔應(yīng)盡量互相靠近，以減少PCB的ESL。這對(duì)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(pán)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(pán)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(jiàn)的誤區(qū)，那就是不正確地采用了熱風(fēng)焊盤(pán)(thermal relief)。非必要情況下使用熱風(fēng)焊盤(pán)，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(guò)孔來(lái)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(duì)這些過(guò)孔使用熱風(fēng)焊盤(pán)。

使控制電路遠(yuǎn)離高噪聲的開(kāi)關(guān)銅箔區(qū)。對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器，好的辦法是將控制電路置于靠近VOUT+端，而對(duì)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(kāi)來(lái)。

控制電路應(yīng)有一個(gè)不同于功率級(jí)地的獨(dú)立信號(hào)(模擬)地。如果控制器IC上有獨(dú)立的SGND(信號(hào)地)和PGND(功率地)引腳，則應(yīng)分別布線。對(duì)于集成了MOSFET驅(qū)動(dòng)器的控制IC，小信號(hào)部分的IC引腳應(yīng)使用SGND。

信號(hào)地與功率地之間只需要一個(gè)連接點(diǎn)。合理方法是使信號(hào)地返回到功率地層的一個(gè)干凈點(diǎn)。只在控制器 IC下連接兩種接地走線，就可以實(shí)現(xiàn)兩種地。

控制IC的去耦電容應(yīng)靠近各自的引腳。為盡量減少連接阻抗，好的方法是將去耦電容直接接到引腳上，而不通過(guò)過(guò)孔。