开关電(diàn)源 PCB 布局指南

2021-08-09

开关電(diàn)源 PCB 布局指南

電(diàn)源设计人员了解开关模式電(diàn)源 PCB 布局所涉及的复杂技术细节和功能(néng)要求。布局决定了对電(diàn)磁干扰 (EMI) 的敏感性、热行為(wèi)、電(diàn)源完整性和安全性。良好的布局可(kě)确保高效率的功率转换和传输到负载，同时允许热量从布局中的热组件传输出去，并确保電(diàn)子系统周围的低噪声耦合。安全性也是开关稳压器的一个重要因素，它可(kě)能(néng)会為(wèi)输出提供高電(diàn)流，从而造成安全隐患。

糟糕的布局选择会导致在高電(diàn)流水平下出现的问题，并且随着输入到输出電(diàn)压之间的巨大差异变得明显。不良 PCB 布局常见的電(diàn)源问题包括高输出電(diàn)流下的稳压损失、输出和开关波形上的过多(duō)噪声以及電(diàn)路不稳定。结合直流電(diàn)源完整性仿真工具、電(diàn)路仿真和分(fēn)析功能(néng)以及最佳布局和布線(xiàn)实用(yòng)程序，设计人员可(kě)以确保他(tā)们的设备安全可(kě)靠。Altium Designer 提供電(diàn)源 PCB 布局软件和更多(duō)有(yǒu)助于防止这些问题的软件。

可(kě)帮助您遵循开关模式電(diàn)源 PCB 布局指南的 PCB 设计软件。

電(diàn)源面临一系列挑战，需要一整套设计和分(fēn)析功能(néng)来确保它们正常运行。这些设计还可(kě)能(néng)通过暴露于高压和突然向用(yòng)户释放電(diàn)流而造成对用(yòng)户不利的安全隐患。设计人员如何确保他(tā)们能(néng)够构建安全、准确和可(kě)靠的電(diàn)源？

开关電(diàn)源是通过在无功電(diàn)路中使用(yòng)开关功率元件在高電(diàn)流整流交流電(diàn)和高電(diàn)压之间进行转换的标准。与典型的 LDO 稳压器相比，这些组件是非線(xiàn)性的，通常使用(yòng)反馈来维持稳压。在 LDO 中，通过误差放大器饱和来维持调节，从而产生在 PCB 布局中被视為(wèi)热量的電(diàn)阻损耗。

虽然从调节和效率的角度来看，开关稳压器是首选，但它们可(kě)能(néng)难以布局，因為(wèi)它们涉及更多(duō)组件，其中一些将具有(yǒu)更大的寄生效应，如果布置不当，可(kě)能(néng)容易受到噪声问题的影响。要开始您的下一个電(diàn)源布局，请遵循这些开关模式電(diàn)源 PCB 布局指南，以确保您的设计可(kě)靠。

开始您的 SMPS PCB 布局

要遵循一些基本的 SMPS PCB 布局规则，这将有(yǒu)助于确保您的设计具有(yǒu)低噪声问题、低辐射 EMI 并保持低温。概括地说，这些指导方针可(kě)以概括如下：

尝试通过正确定义接地、在 PCB 布局中放置短布線(xiàn)以及在 PCB 中布置電(diàn)流隔离部分(fēn)来保持低 EMI，从而避免噪声耦合。

如果布局中存在噪声、需要包络跟踪等功能(néng)或特定噪声源在设计中引起问题，则在需要时使用(yòng)适当的输入和输出 EMI 滤波器電(diàn)路。

使用(yòng)大量铜提供遠(yuǎn)离重要组件的散热路径。如果需要，您可(kě)以考虑独特的外壳设计，以及热组件上的散热器或风扇。

放置快速开关、高電(diàn)流電(diàn)路（如 MOSFET 阵列），以便在开关事件期间设计中没有(yǒu)寄生振荡。

监管机构，例如 Underwriter Laboratories 和 IEC 测试電(diàn)源的辐射電(diàn)磁干扰 (EMI)、传导 EMI、稳定性、效率和工作寿命。FCC 和 CE 法规还对开关模式電(diàn)源的辐射设置了限制，因為(wèi)这些设备可(kě)能(néng)是无意的散热器。Altium Designer 提供了您需要的電(diàn)路分(fēn)析工具来了解有(yǒu)关器件電(diàn)气行為(wèi)的更多(duō)信息，PCB 布局工具可(kě)以帮助您在考虑模拟電(diàn)气规范的同时创建满足上述要求的布局。

定义地面时要小(xiǎo)心

要考虑的第一个开关模式電(diàn)源 PCB 布局指南是如何在布局中定义接地。在设计开关電(diàn)源電(diàn)路时，请记住存在五个接地点。这些可(kě)以分(fēn)成不同的导體(tǐ)以确保電(diàn)流隔离。这些是：

输入大電(diàn)流源地

输入大電(diàn)流電(diàn)流回路地

输出大電(diàn)流整流地

输出大電(diàn)流负载地

低层控制地

这些接地连接中的每一个都可(kě)能(néng)存在于物(wù)理(lǐ)上分(fēn)开的导體(tǐ)中，具體(tǐ)取决于转换器、整流器或稳压器電(diàn)路中電(diàn)流隔离的需要。如果接地是電(diàn)容耦合的，您的電(diàn)源電(diàn)路可(kě)能(néng)会允许共模噪声，例如通过附近的导電(diàn)外壳通常会发生这种情况。PCB 中的接地區(qū)域应在隔离组件的每一侧明确定义，例如

如果由于某种原因确实需要桥接接地以消除某些 DC 偏移，则 Y 级電(diàn)容器是最佳选择，因為(wèi)它提供了高频滤波并消除了接地區(qū)域之间的 DC 偏移。

每个大電(diàn)流接地都用(yòng)作電(diàn)流回路的一个支路，但它的布局应為(wèi)電(diàn)流提供低阻抗返回路径。这可(kě)能(néng)需要多(duō)个通孔返回接地层，以允许低等效電(diàn)感的高電(diàn)流。这些点及其相对于系统接地的電(diàn)位成為(wèi)测量在電(diàn)路不同点之间传导的直流和交流信号的点。由于需要防止来自大電(diàn)流交流接地的噪声逸出，适当的滤波電(diàn)容器的负极端子用(yòng)作大電(diàn)流接地的连接点。

定义地面區(qū)域的最佳做法是使用(yòng)大平面或多(duō)边形浇筑。这些區(qū)域提供了低阻抗路径来驱散来自 DC 输出的噪声，并且它们可(kě)以处理(lǐ)高返回電(diàn)流。它们还提供了在需要时将热量从重要组件传输出去的路径。在两侧放置接地层可(kě)吸收辐射 EMI、降低噪声并减少接地环路误差。在用(yòng)作静電(diàn)屏蔽和消散涡流中的辐射 EMI 的同时，接地层还将電(diàn)源線(xiàn)和電(diàn)源层的组件与信号层组件分(fēn)开。Altium Designer 的 CAD 工具可(kě)以轻松定义 PCB 布局中的接地并放置大导體(tǐ)以用(yòng)作 PCB 中的接地區(qū)域。尤其是在使用(yòng)开关電(diàn)源时，

设计中的接地區(qū)域可(kě)以根据其功能(néng)赋予多(duō)个名称。在设计中定义接地區(qū)域时要小(xiǎo)心，并确保将它们正确链接在一起。 

接地层在電(diàn)源 PCB 布局之外的系统中也很(hěn)重要。确保将连接定义為(wèi)具有(yǒu)低阻抗而不影响装配。 

共模噪声和传导纹波是 PCB 布局中的主要噪声源，当噪声极端时，它们会导致设计无法通过 EMI 测试。 

電(diàn)源层和接地层提供低阻抗连接，同时提供遠(yuǎn)离系统重要部分(fēn)的散热路径。

原理(lǐ)图编辑器协助布局

接地是开始设计的重要位置，因為(wèi)它将决定 PCB 布局的抗噪性和可(kě)布線(xiàn)性。然而，这并不是電(diàn)源设计的唯一考虑因素。开关动作和 EMI 抑制内置于電(diàn)源中，需要在 PCB 中明确定义。

在哪里进行接地连接

SMPS 控制器精确调节输出電(diàn)压的能(néng)力取决于低電(diàn)平控制地的连接。当您使用(yòng)集成電(diàn)路、输入電(diàn)容器、输出電(diàn)容器和输出二极管时，请确保这些组件连接到接地层。接地连接连接到控制 IC 及其相关電(diàn)路测量交流電(diàn)流、直流電(diàn)流、输出電(diàn)压和其他(tā)主要参数的点。将低電(diàn)平接地连接到電(diàn)流检测電(diàn)阻器或输出分(fēn)压器的下侧可(kě)防止控制電(diàn)路检测共模噪声。

设计切换动作

SMPS 通过在截止工作状态和饱和工作状态之间快速切换传输单元并向输出负载提供恒定功率来工作。在截止时，通过单元上存在高電(diàn)压，但没有(yǒu)電(diàn)流流动。在饱和时，高電(diàn)流以非常小(xiǎo)的電(diàn)压降流过通过单元。由于半导體(tǐ)开关从直流输入電(diàn)压产生交流電(diàn)压，SMPS 可(kě)以通过变压器升压或降压，然后在输出端将電(diàn)压过滤回直流。

脉宽调制 (PWM) 开关電(diàn)源在正向模式或升压模式下运行。正向模式電(diàn)源在输出端有(yǒu)一个 LC 滤波器，它根据从滤波器获得的输出的伏特时间平均值产生直流输出電(diàn)压。為(wèi)了控制信号的電(diàn)压时间平均值，开关電(diàn)源控制器改变输入矩形電(diàn)压的占空比。

降压转换器与升压转换器

当電(diàn)源开关打开时，升压转换器模式電(diàn)源将電(diàn)感器直接连接到输入電(diàn)压源。電(diàn)感電(diàn)流从零开始增加并在关闭電(diàn)源开关的同时达到峰值。输出整流器钳位電(diàn)感器输出電(diàn)压并防止電(diàn)压超过電(diàn)源输出電(diàn)压。当存储在電(diàn)感器核心中的能(néng)量传递到输出電(diàn)容器时，電(diàn)感器的开关端子回落到输入電(diàn)压的電(diàn)平。

同时，降压转换器模式電(diàn)源使用(yòng)相同的组件，但采用(yòng)不同的拓扑结构将電(diàn)感器的反電(diàn)动势钳位在低于输入電(diàn)压的水平。开关动作提供与升压转换器相同的效果，其中输出電(diàn)流与充電(diàn)/放電(diàn)電(diàn)容器竞争而振荡，从而实现输出功率的调节。两种类型的稳压器/转换器拓扑都允许开关噪声传播到设计中的输出端口，这可(kě)以看作是输出上的高频纹波。

降压和升压转换器布局可(kě)以承载高電(diàn)流，需要大多(duō)边形来容纳热量并防止功率损耗。 

電(diàn)源布線(xiàn)有(yǒu)助于确保低噪声运行

开关電(diàn)源传导高频噪声，直到噪声频率达到开关频率的大约 100 倍。然后，噪声频率以每十倍频程 -20 到 -40 dB 的速率下降。由于开关稳压器在“开”和“关”電(diàn)源状态下运行，具有(yǒu)锐边的大電(diàn)流脉冲在开关電(diàn)源電(diàn)路中流动，因此会产生 EMI。ON 和 OFF 電(diàn)源状态之间的转换会产生 EMI，如果電(diàn)源布局中的電(diàn)流环路太大，则可(kě)能(néng)会在系统中的其他(tā)地方感应出 EMI。开关電(diàn)源電(diàn)路由電(diàn)源开关回路和输出整流回路组成，需要正确布線(xiàn)以防止噪声过大。

布置電(diàn)源时，要特别注意回路的周長(cháng)和走線(xiàn)的長(cháng)度和宽度。保持环路周長(cháng)较小(xiǎo)可(kě)消除环路作為(wèi)低频噪声天線(xiàn)工作的可(kě)能(néng)性。从電(diàn)路效率的角度来看，更宽的走線(xiàn)还為(wèi)電(diàn)源开关和整流器提供了额外的散热。您可(kě)以使用(yòng)主动布線(xiàn)引擎来实现人工布線(xiàn)结果并安排您的组件以允许开关電(diàn)流回路在同一方向上传导。随着電(diàn)流回路以相同方向传导，控制電(diàn)路耦合到布局中的特定位置。因此，磁场不能(néng)沿着位于两个半周期之间的走線(xiàn)反向并产生辐射 EMI。

Altium Designer 的布線(xiàn)工具可(kě)帮助您轻松地為(wèi)高電(diàn)流/高電(diàn)压線(xiàn)放置多(duō)边形，或者為(wèi)数据和控制線(xiàn)放置更细的走線(xiàn)。 

在处理(lǐ)電(diàn)源布局时，保持处理(lǐ)高开关電(diàn)流的走線(xiàn)短、直且粗。IPC 标准可(kě)用(yòng)于计算推荐的走線(xiàn)宽度，但经验法则是每安培的最小(xiǎo)宽度為(wèi) 15 密耳。 

SMPS 内的 EMI 滤波器可(kě)抑制由直流输入和输出接線(xiàn)中传导的高频電(diàn)流引起的高频噪声。您可(kě)以使用(yòng)库和 Altium Content Vault 中的集成组件定价和可(kě)用(yòng)性以及数据表链接来设计提供最佳结果的过滤器。 

此 PCB 布局中的组件靠得很(hěn)近，并使用(yòng)短而直接的走線(xiàn)布線(xiàn)。

SMPS 交流電(diàn)压节点的 PCB 布局技巧

根据 SMPS 配置，交流電(diàn)压节点存在于功率 MOSFET 的漏极或 BJT 的集電(diàn)极和输出整流器的阳极。这些节点中的每一个都可(kě)以具有(yǒu)高交流電(diàn)压。例如，MOSFET 漏极处的峰峰值交流電(diàn)压可(kě)以测量為(wèi)输入電(diàn)压的一到两倍。漏极通过绝缘體(tǐ)固定在散热器上，接地散热器為(wèi)電(diàn)容耦合噪声提供了路径。您可(kě)以使用(yòng) Altium Designer 中的 PCB 布局工具将易受影响的信号放置在同一侧，而不是在嘈杂的交流节点下方。此外，您可(kě)以交叉影線(xiàn)位于节点下方的任何接地平面以消除噪声。

表面贴装环境具有(yǒu)较小(xiǎo)的電(diàn)容值，但会将噪声耦合到敏感信号中。由于这些因素，您的布局还需要解决交流节点電(diàn)压電(diàn)容耦合到散热器或相邻接地层的可(kě)能(néng)性。在布局表面贴装 PCB 设计时，使节点足够大以用(yòng)作電(diàn)源开关或整流器的散热器。一些多(duō)层设计通过使 AC 节点下方的所有(yǒu)层与 AC 节点相同并使用(yòng)镀通孔连接这些层来增加设计的热质量。

Altium Designer 為(wèi)您提供完整的设计和布局工具集

Altium Designer 中完整的 PCB 设计和布局功能(néng)為(wèi)您提供了创建可(kě)靠和安全電(diàn)源系统所需的工具。您还可(kě)以创建和仿真重要的電(diàn)源電(diàn)路拓扑和 EMI 滤波器，它们可(kě)用(yòng)于任何应用(yòng)，从大功率直流系统到高频交流系统。Altium Designer 的 PDN Analyzer 插件為(wèi)您的電(diàn)路直流電(diàn)流和電(diàn)压分(fēn)析提供了最佳资源。為(wèi)开关模式電(diàn)源设计 PCB 布局似乎令人生畏，但 Altium Designer 提供的工具可(kě)将電(diàn)源的复杂性分(fēn)解為(wèi)易于理(lǐ)解的任務(wù)。

Altium Designer 為(wèi)您提供将您的想法变為(wèi)现实所需的一切。您可(kě)以在 Altium Designer 中构建从简单的 MOSFET 電(diàn)路到高级 RF 電(diàn)源设计的任何内容。 

Altium Designer 中的 PDN Analyzer 扩展使用(yòng)户能(néng)够通过行业标准的直流電(diàn)源完整性仿真来分(fēn)析他(tā)们的電(diàn)源输出。 

所有(yǒu) Altium Designer 用(yòng)户都可(kě)以通过 Altium 365 平台共享他(tā)们的電(diàn)源设计。设计团队使用(yòng) Altium 365 在安全的云环境中保持生产力并共享设计数据。 

使用(yòng)最佳 CAD 工具為(wèi) Altium Designer 中的任何应用(yòng)程序创建您的 PCB 布局。

Altium 的目标一直是在统一的设计界面中為(wèi)用(yòng)户提供流線(xiàn)型的设计體(tǐ)验。Altium Designer 中的原理(lǐ)图编辑器、PCB 编辑器、SPICE 仿真包、布線(xiàn)功能(néng)和仿真工具為(wèi)您提供构建安全、可(kě)靠、无噪声電(diàn)源所需的一切。当您需要一整套组件创建和管理(lǐ)工具时，请使用(yòng)业界最佳的 ECAD 实用(yòng)程序来创建和模拟您的设计。