PCB布局挑战——改进您的开关模式電(diàn)源设计

2022-06-06

PCB布局挑战——改进您的开关模式電(diàn)源设计

芯片制造商(shāng)经常试图让设计师和爱好者使用(yòng)现代Web应用(yòng)程序甚至電(diàn)源设计软件来实现大多(duō)数SMPS变得异常简单。备份软件的是应用(yòng)筆(bǐ)记，建议其特定IC的正确PCB布局。 

尽管当今的设计软件通常非常出色，但问题是大多(duō)数应用(yòng)筆(bǐ)记都可(kě)能(néng)是错误的，至少部分(fēn)如此。事实上，一些行业专家指出，在被证明正确之前，他(tā)们应该被认為(wèi)是错误的 。 

為(wèi)了正确看待这个概念，我们可(kě)以回顾一下我最近的爱好者设计，它有(yǒu)这些隐藏的问题。它有(yǒu)效吗？绝对地。它会通过EMC辐射和传导发射吗？也许。 

首先，让我们谈谈问题出在哪里，然后讨论我在设计中做的不好的地方以及如何改正它。 

隐藏的PCB布局威胁——PCB耦合

与SMPS相关的EMC原则通常要求设计人员在SMPS布局中密切关注两个耦合因素，如图 1 所示： 

電(diàn)压开关节点，具有(yǒu)高 dv/dt

“热電(diàn)流回路”，其中包含子系统中最高的 di/dt

图 1.显示降压转换器di/dt和dv/dt位置的示意图。

这里起作用(yòng)的机制和风险是将不需要的能(néng)量以電(diàn)容 (dv/dt)和電(diàn)感 (di/dt)耦合到系统的其他(tā)部分(fēn)，或者更糟的是，以辐射和传导发射的形式离开系统。  

PCB设计后期制作回顾

深入研究该项目，我们将检查LM22678 5A 转换器的PCB布局（图 2），其V in為(wèi)12 V（未显示）和V out為(wèi)5 V。这是一个使用(yòng)非同步降压转换器用(yòng)于其低侧开关元件 的B130L-13-F肖特基二极管（是的，在您检查之前 - 系统消耗的電(diàn)流低于二极管的 1 A 额定值！）。

图 2. 12 V至5 V非同步LM22678降压转换器的原理(lǐ)图。

最小(xiǎo)化電(diàn)容和電(diàn)感耦合通常并不复杂，但很(hěn)容易被忽视，从而导致排放测试失败和市场延迟。下面，在图3中，我们看到了用(yòng)于非同步降压稳压器的TO-263封装的布局，其中确定了電(diàn)压节点（红色轮廓）和热電(diàn)流环路（黄色轮廓）。 

图 3.具有(yǒu)低侧功率二极管的非同步降压稳压器设计。 

為(wèi)清楚起见，板上的铜填充物(wù)已被隐藏。总的来说，这种设计存在三个明显的问题： 

高di/dt环路遠(yuǎn)大于所需的

没有(yǒu)过孔连接 C IN 或C OUT的GND节点（它们被接地覆盖）

开关节点可(kě)以更小(xiǎo)

这些设计选择的最终效果意味着電(diàn)流环路没有(yǒu)得到很(hěn)好的控制，并且由于平面之间没有(yǒu)通孔，電(diàn)流没有(yǒu)明确定义的路径返回源极。  

对于 EMC——（電(diàn)气）沉默是金

改进后的布局如下图4所示。它具有(yǒu)优化的電(diàn)压节点、更小(xiǎo)的热回路以及每个无源元件的第 2 层参考平面的通路。此外，初级C OUT電(diàn)容器也相对于原始设计旋转了90度，从而降低了输出轨上的噪声风险。

图 4.改进后的布局考虑了耦合机制。 

通过在开关引脚和電(diàn)感器之间串联移动低端二极管，我们可(kě)以更好地限制由高 dv/dt 耦合效应产生的潜在串扰噪声。此外，通过减少热回路几何形状，高di/dt 磁场耦合的影响也降低了。 

尽管这些变化很(hěn)小(xiǎo)，但它们不需要额外的電(diàn)路板空间或改组其他(tā)子系统。然而，通过将電(diàn)流环路减少约 50% 并优化電(diàn)压节点，无疑增强了系统的合规性。 

当您设计符合CISPR EMC 标准的商(shāng)业产品时，每一个dBμV都很(hěn)重要，设计阶段的微小(xiǎo)变化可(kě)能(néng)意味着发布有(yǒu)利可(kě)图或错过市场窗口之间的差异。 

关键要点 

了解電(diàn)流回路在开关電(diàn)源中的流动位置

保持节点和回路的几何形状小(xiǎo)，以减轻不必要的耦合效应

使 C IN 遠(yuǎn)离或 C OUT 有(yǒu)助于隔离電(diàn)流环路感应场，并防止 dv/dt 串扰

将焊盘连接到通孔，而不仅仅是接地填充铜，以帮助限制返回電(diàn)流