开关電(diàn)源和稳压器的PCB布局指南

2021-05-26

开关電(diàn)源和稳压器的PCB布局指南

電(diàn)源和调节器可(kě)以有(yǒu)各种形状和尺寸。尽管通常将它们讨论為(wèi)不同的产品，但它们在電(diàn)气上是等效的，尤其是开关稳压器。从高级系统角度来看，電(diàn)源的开关调节器部分(fēn)和实际的调节器電(diàn)路在同一框图内执行相同的功能(néng)。

对于電(diàn)源，这仅是规模问题以及调节器如何与系统中的其他(tā)電(diàn)源转换模块集成。電(diàn)源中的开关稳压器部分(fēn)和PCB上的开关稳压器電(diàn)路应按照相同的通用(yòng)准则进行布局，以确保低噪声运行。

在接下来的部分(fēn)中，我想简要地关注電(diàn)源和稳压器的不同之处，尽管大多(duō)数设计人员已经很(hěn)清楚了。電(diàn)源将（或应该）包括電(diàn)源稳压器，但稳压器可(kě)以是独立電(diàn)路，不属于所谓的電(diàn)源。对于電(diàn)源和带有(yǒu)板载稳压器的PCB而言，开关稳压器的布局将是决定整體(tǐ)系统性能(néng)的主要因素。因此，我们将主要在调节器布局方面着眼于一些开关電(diàn)源的布局准则。

开关電(diàn)源的系统布局准则

在查看开关電(diàn)源的调节器部分(fēn)之前，我们应该首先查看整个系统的高级框图。如果您正在设计電(diàn)源设备，则整个设备将具有(yǒu)如下所示的拓扑。这对于从壁装電(diàn)源插座获取交流電(diàn)的電(diàn)源尤為(wèi)重要。

开关電(diàn)源的高级框图。

上面的框图可(kě)以在多(duō)块板上实现，尽管通常将所有(yǒu)东西都放在一块板上，以便為(wèi)大型变压器，散热器，风扇和机械安装架留出一定的空间，尤其是对于高電(diàn)压/電(diàn)流電(diàn)源。如果您正在為(wèi)要插入電(diàn)源单元的電(diàn)路板设计一个小(xiǎo)型稳压器，那么无论如何您都将在上述拓扑中工作，您将在输出稳压器和新(xīn)稳压器之间只有(yǒu)一条地線(xiàn)。同样，这对于大電(diàn)流電(diàn)源来说很(hěn)常见。

上图中还有(yǒu)一些要讨论的要点：

電(diàn)流隔离

在上面的框图中，我们有(yǒu)三个单独的接地區(qū)域，它们与盖帽绑在一起。不要盲目地遵循使用(yòng)帽的指导原则：没有(yǒu)一种PCB接地技术 可(kě)以解决每个噪声源，因此在使用(yòng)上述帽时应格外小(xiǎo)心。如图所示，这是一种确保所有(yǒu)接地區(qū)域均具有(yǒu)恒定接地電(diàn)位的方法。这是工业以太网系统接地的一种推荐方法。这里的想法是阻止两个接地部分(fēn)之间可(kě)能(néng)产生的任何直流電(diàn)势

此处的危险是会产生接地环路和共模噪声，然后必须对其进行滤波。这样，将接地線(xiàn)绑在一起基本上就是在拥有(yǒu)金属机箱的情况下完成的工作，而塑料外壳会使接地線(xiàn)保持隔离。这变得棘手，需要仔细的電(diàn)路设计和PCB布局才能(néng)通过所有(yǒu)EMC测试。

输出级

不需要在输出级上进行電(diàn)流隔离；它取决于DC稳压器的拓扑（有(yǒu)关示例，请参见反激式转换器）。通常，在输出端放置一个传导EMI滤波器電(diàn)路或共模扼流圈，以抑制到达负载電(diàn)路的共模電(diàn)流。除了这些要点之外，还将使用(yòng)针对特定稳压器拓扑的最佳实践来安排输出稳压器级。我将在下面介绍这些关于监管机构布局的更广泛的想法。

電(diàn)源设备的输出级可(kě)能(néng)不是系统中的最终调节器。取而代之的是可(kě)以给另一个稳压器或一系列稳压器供電(diàn)，每个稳压器将以某个最大電(diàn)流為(wèi)一组组件提供设定電(diàn)压。同样，这可(kě)以在单个板上或在多(duō)个板上完成（一个用(yòng)于電(diàn)源，另一个用(yòng)于调节器级）：

开关電(diàn)源的配電(diàn)图。

上面的功率树显示了并联的调节器（菊花(huā)链式），但是它们也可(kě)以级联在树形拓扑中。PDN中的電(diàn)流映射非常有(yǒu)用(yòng)，因為(wèi)它可(kě)以帮助您快速绘制出每个下游调节器级将為(wèi)PDN中的总電(diàn)流贡献多(duō)少電(diàn)流。然后，总電(diàn)流和单个電(diàn)流将确定向系统中的每个部分(fēn)输送足够電(diàn)流所需的電(diàn)源轨或電(diàn)源平面的大小(xiǎo)。

布置每个電(diàn)路块

现在，我们可(kě)以看到整个系统的體(tǐ)系结构，可(kě)以大致了解如何对开关電(diàn)源和整个系统中的每个電(diàn)路模块进行布局，以确保低EMI和安全性。创建PCB布局时，请考虑整个框图：

分(fēn)节布局：与具有(yǒu)多(duō)个功能(néng)块的其他(tā)電(diàn)路板一样，请尝试分(fēn)节布局電(diàn)源板。可(kě)以以線(xiàn)性方式从框图中的输入到输出进行此操作。

计划有(yǒu)反馈的布局：有(yǒu)时，例如在精密大電(diàn)流调节器中，各部分(fēn)之间会有(yǒu)一些反馈。使用(yòng)光耦合器桥接每个部分(fēn)之间的接地间隙。

遵循接地回路：如果在PCB设计中有(yǒu)通用(yòng)的准则，则可(kě)能(néng)是“遵循接地回路”。对于電(diàn)源而言，这对于确定可(kě)产生共模電(diàn)流的位置以及确保每个電(diàn)源部分(fēn)中的低环路電(diàn)感至关重要。

注意高電(diàn)流和高電(diàn)压轨：高電(diàn)压和高電(diàn)流设计有(yǒu)时会混杂在一起。两个导體(tǐ)之间的最大電(diàn)势差将确定其最小(xiǎo)间距，导體(tǐ)所携带的電(diàn)流将确定其所需的宽度以确保低温

光耦合器是小(xiǎo)型IC，可(kě)用(yòng)于跨两个電(diàn)隔离的接地區(qū)域桥接数据或感测信号。该光耦合器（U4）被用(yòng)于LLC谐振转换器中，作為(wèi)带有(yǒu)電(diàn)流检测放大器的反馈环路的一部分(fēn)，以精确调整转换器的开关频率。

在进行PDN设计部分(fēn)时，您还应该考虑如何将每个部分(fēn)接地以及如何将接地绑在一起以提供一致的参考電(diàn)位。正如我前面提到的，这对于防止EMI非常重要。这应该在开始处理(lǐ)PCB布局之前完成。

電(diàn)源开关稳压器布局技巧

為(wèi)稳压器选择组件，创建原理(lǐ)图并设计接地/配電(diàn)策略后，就可(kě)以开始考虑PCB布局了。开关電(diàn)源稳压器的PCB布局全都需要权衡：您需要平衡导體(tǐ)尺寸与電(diàn)气间隙要求，但需要使结构紧凑。

我们已在此博客上发布了多(duō)篇有(yǒu)关布局特定稳压器拓扑的指南。下面的列表没有(yǒu)列出所有(yǒu)这些可(kě)能(néng)性，而是显示了一些将在您的系统中应用(yòng)的广泛准则。

始终為(wèi)您的系统实施最小(xiǎo)间隙和走線(xiàn)宽度规则。

尽可(kě)能(néng)缩短用(yòng)于最直接路由的電(diàn)压/電(diàn)流检测反馈線(xiàn)。

您可(kě)能(néng)必须在驱动器和控制器IC周围聚集一些控制和检测组件，因此请确保在它们之间建立短连接。可(kě)以将这些组件聚集在一个狭窄的區(qū)域中（请参见下文(wén)）。

如果要设计大電(diàn)流，则考虑使用(yòng)较厚的铜甚至是金属芯PCB。

不要害怕使用(yòng)多(duō)边形作為(wèi)组件或连接器的安装垫。直接绑回飞机时要小(xiǎo)心，因為(wèi)您可(kě)能(néng)需要散热。

即使稳压器可(kě)以具有(yǒu)很(hěn)高的效率，但它们仍然会发烫。确保在布局中留出空间以容纳IC上的任何散热器（如果有(yǒu)）。另一种选择是使用(yòng)热界面材料。

开关電(diàn)源布局的某些部分(fēn)可(kě)能(néng)非常紧，并且可(kě)能(néng)具有(yǒu)更宽的导轨/多(duō)边形。不要害怕使用(yòng)这些元素来确保您在安全的温度下运行并创建低電(diàn)感布局。

开关稳压器的具體(tǐ)布局指南将取决于拓扑，组件数量，反馈的存在以及接地策略。希望您已经考虑过接地，以防止EMI并提供所需的隔离，然后再开始进行PCB布局。要查看针对您的特定监管机构的一些更具體(tǐ)的准则，请查看以下其他(tā)一些资源：

如何设计升压稳压器

隔离与非隔离電(diàn)源：没有(yǒu)故障的正确选择

LLC谐振转换器设计和PCB布局

低噪声，低EMI稳压器

我们没有(yǒu)覆盖什么？

显然，在上述用(yòng)于开关電(diàn)源和稳压器電(diàn)路的布局指南中，有(yǒu)很(hěn)多(duō)要考虑的因素。那还缺少什么呢(ne)？在上面的讨论中，電(diàn)源调节和传输的一些关键方面没有(yǒu)出现：

PDN阻抗：如果您不设计高速/高频组件，则可(kě)能(néng)无需担心PDN阻抗。只要确保使用(yòng)肥力的電(diàn)源轨和大量的地面倒入即可(kě)。如果您设计用(yòng)于高速/高频，那么低PDN阻抗对于抑制纹波非常重要，通常需要使用(yòng)大量的去耦電(diàn)容器和较高的平面间電(diàn)容来实现。

電(diàn)源EMI：我在上面已经提到了这一点。无论何时创建PCB布局，都应该考虑确保低EMI，但是在抑制EMI和使EMC测试通过低环路電(diàn)感布線(xiàn)之外，还有(yǒu)很(hěn)多(duō)事情要做。我将在一篇专门针对電(diàn)源EMI的文(wén)章中讨论其中的一些观点。

模拟電(diàn)源：在这里，我们正在研究通常在数字IC中讨论的开关转换器。那模拟元件呢(ne)？他(tā)们的電(diàn)力需求可(kě)能(néng)大不相同。发出模拟/ RF信号的数字IC通常会在内部这样做。但是，有(yǒu)专门的LDO（例如NCP161BMX280TBG）或开关稳压器（例如LTC3388IMSE-1）。

还有(yǒu)元件选择的问题，例如选择電(diàn)感器以确保低EMI和共模噪声耦合，以及确保低纹波電(diàn)流。上面列表中的最后一点也很(hěn)重要，因為(wèi)纯模拟電(diàn)路的布局风格与数字系统的電(diàn)源稳压器或嵌入式電(diàn)源不同。一旦您在极高的频率下工作，由于寄生電(diàn)容（类似于不稳定放大器電(diàn)路中所见的情况），RF電(diàn)源问题就更难解决。