开关稳压器布局：一层还是两层？

2022-04-12

开关稳压器布局：一层还是两层？

看看PCB上典型的开关稳压器布局；通常，出于多种原因，所有内容都放在一个层上。有时，例如在低功耗场景中，电路只是物理上很小，因此实际上不需要使用两层来节省空间。对于较大的开关稳压器，组件的物理尺寸较大意味着放置在两层上理论上可能会节省一些空间，但由于安装限制，这使得放置在外壳内变得更加困难。

如果您有一个中等尺寸的开关稳压器，可能有一些分立器件和一些 MOSFET，您可以灵活地将所有东西放在两层上，因为您通常没有大型机械部件（散热器或风扇）或高帽/电感器。您应该将所有内容放在单层还是两层上，对性能有何影响？

事实证明，两层布局的主要影响在于寄生效应和噪声耦合。您可能会使设计更小，并且可能具有更低的辐射/接收EMI，但如果布局不当，您可能会与附近的互连产生强耦合。让我们更深入地了解一下噪声从哪里开始产生问题以及有哪些解决方案可以防止噪声耦合。

一层和两层开关稳压器中的噪声

所有开关稳压器都会在其dV/dt 节点和 dI/dt 环路上产生噪声。对于更复杂的拓扑，例如半桥/全桥拓扑，开关节点可以在设计中的不同位置之间移动，具体取决于开关FET之间的相位差。如果电路板中有一个PFC电路并且它在临界导通模式下运行，那么它将在其高端和低端开关节点处进行深度调制以产生高 dV/dt 尖峰。无论如何，dV/dt 节点将确定 dI/dt 回路的位置。这些将共同决定噪声如何在设计周围耦合。

下面的示例降压转换器电路图显示了这些节点存在的位置。可以为升压转换器或隔离拓扑绘制类似的图表。开关节点和脉动电流回路如图所示；这些是电路辐射最大噪声的点。

基本降压转换器电路，当Q1开启或关闭时指示电流方向。

这种类型的电路可以使用栅极驱动器进行布局，以生成PWM脉冲并调制Q1。更高级的桥接或谐振拓扑基本上会做同样的事情，但电流回路和 dV/dt 节点可能会根据拓扑在不同点之间交换。

在确定放置组件的位置（单面与双面PCB布局）时，您将平衡稳压器占用的面积与稳压器可以耦合到其他电路的开关噪声。要了解每种样式的一些优点，让我们看一些示例。

单层PCB布局示例

在本例中，我将研究可提供高达2 A电流的降压稳压器IC。该电路使用带有电阻分压器的反馈环路来检测输出电压并调整一次性定时器以触发内部MOSFET，从而产生开关。因此，输出dI/dt环路将跨越IC管芯上的接地层，并且需要在其下方有均匀的接地。

示例降压转换器原理图。

将此电路转移到布局时，我们有两个目标：

防止来自SW_OUT的dV/dt噪声通过寄生电容到达反馈回路。

确保dI/dt环路尽可能小，使其不会产生强烈辐射。

下面显示了在PCB上布置这种小型开关稳压器的典型方法示例。我已经粗略地追踪了电路板上开关电流的路径，以便我们可以看到设计容易受到辐射的位置。堆叠使用 4 层。在这个设计中，我们有一条从R1回到U1（第 2 层上的走线）的反馈线，以及大铜开关节点 (SW_OUT)。

示例降压转换器布局，电流路径从电感器L1追溯到稳压器IC U1。

反馈迹线可能容易受到一些噪声耦合的影响，这在此应用中非常重要。该线路用于确定何时需要复位内部单次定时器，以便在下一个开关周期触发内部MOSFET。因此，您希望避免强烈的噪音。在此示例中，将其放置在第2层并用地线将其包围是确保低电感的好策略。可以通过三种方式使这条迹线免受来自L1的开关噪声的影响：

将其保留在第2层，并使其远离L1和SW_OUT

将它放在第1层，用一些覆铜包围它，并用精心设计的开关过孔对其进行屏蔽

将走线放在背层，使其完全被GND屏蔽

如果我们想使用#3，我们不妨将输出上限也放在后面的层上！让我们看看这是什么样子。

小心使用两层稳压器电路

在输出侧具有电流回路的两层电路对于两层布局很有吸引力。由于调节器中LC部分的布置，这种布置有时被称为翻盖式设计。您可能选择这种类型的布线的主要原因是控制寄生效应，从而使您能够控制开关噪声与其他电路的耦合。如果您要布置可能靠近其他电路的小型电源调节器，这是非常可取的。

我们修改后的两层电路如下所示（重点是第 1 层）。我在顶层留下了 U1、C5 和 L1；所有较小的无源器件都在底层。如果要将此板放入带有小支架的外壳中，那么两层上的笨重组件不会有任何问题。与以前的布局相比，我们还能够使电路板更小。

修改了两层的降压转换器布局。

底层如下图所示。通过将无源器件移至底层，我们收紧了反馈环路，使其电感更低，并且通过第2层和第3层的接地完全与 L1 屏蔽。另一个好处是SW_OUT；它也完全不受反馈回路的影响。

我们修改后的降压转换器布局的底层。

这种布局的缺点是沿电路板表面产生磁场，因此我们无法沿PCB的顶部和底部边缘路由任何数据信号。将后层用于反馈走线的另一个原因是需要在R1和R2上建立开尔文连接。基本上，作为反馈回路的一部分，您希望尽可能消除R1和R2上的接触电阻。因此，您最好在反馈回路中选择物理上更大的电阻器和更宽的走线。将这些电阻器和反馈走线放置在背面层可以让您自由地执行此操作。

扩大

如果您了解单个功率MOSFET的这些原理，那么您可以将其扩展到具有两个MOSFET的同步转换器，或者更先进的桥式转换器、谐振转换器或多相转换器。这些布局更加复杂，因为在PCB布局中噪声可以耦合到其他电路的位置更多。但是，如果您要设计更高级的电源拓扑，遵循上述噪声耦合原则将有助于确保您取得成功。