PCB部落格 - 快速創建用於開關電源的PCB板設計

今天的開關穩壓器和電源正變得更加緊湊和强大, 越來越高的開關頻率是設計者面臨的主要問題之一, 製作 PCB電路板 設計越來越困難. 事實上, PCB佈局已成為區分開關電源設計優劣的分水嶺. 本文提供了一些關於如何創建PCB佈局的建議.

考慮將24V降至3.3伏的3A開關穩壓器。 起初，設計這樣一個10W的調節器似乎並不太困難，設計者可能很快就能進入實施階段。 然而，讓我們看看在採用Webench等設計軟體後實際會遇到什麼問題。 如果我們輸入上述要求，Webench將從多個集成電路中選擇“Simpler Switcher”系列中的LM25576（包括3A FET的42V輸入裝置）。 該晶片封裝在帶有熱墊的TSSOP-20封裝中。 Webench選單中包含了針對體積或效率的設計優化。 該設計需要大量電感器和電容器，這需要較大的PCB板空間。 Webench提供了如錶1所示的選項。

值得注意的是，效率為84%, 這種效率是在輸入輸出壓差很低的情况下實現的. 在本例中, 輸入/輸出比大於7. 一般來說, 可以使用兩級電路來降低級與級的比率, 但兩個監管機构實現的效率不會更好. 下一個, 我們選擇開關頻率的 PCB板 地區. 高開關頻率會造成佈局問題. Webench可以生成包含所有有源和無源元件的電路圖. 看看電流路徑：用紅色標記FET在導通狀態下的環路； 將場效應管的環路標記為綠色，使其處於關閉狀態. 我們可以觀察到兩種不同的情况：兩種顏色的區域和只有一種顏色的區域. 我們必須特別注意後一種情况, 所以電流在零和滿標度之間交替. 這些地區的di較高/dt. 高di/dt交流電將在周圍產生一個顯著的磁場 PCB板 電線, 這將成為電路中其他設備，甚至同一或相鄰電路上其他設備的主要干擾源 PCB板. 假設這不是交流電, 公共電流路徑不太重要，di/dt效應要小得多. 另一方面, 隨著時間的推移，這些區域將承受更大的負荷. 在本例中, 常見的路徑是從二極體陰極到輸出，以及從輸出接地到二極體陽極. 作為輸出電容器充電和放電, 該電容器產生高di/dt. 連接輸出電容器的所有段必須滿足兩個條件：由於高電流，它們必須很寬, 它們必須盡可能短，以最小化di/dt效應.

Key points of PCB layout design
事實上, 設計者不應該通過從Vout和接地到電容器的佈線來實現所謂的傳統佈局. 這些電線將輸送大交流電, 囙此，將輸出和接地直接連接到電容器端子是一種更好的方法. 這種交流電只出現在電容器上. 連接電容器的其他導線現在幾乎攜帶恒定電流, di有什麼問題嗎/dt得到了很好的解决. 地球是另一個經常被誤解的難題. 簡單地在“第2層”上放置一個接地層，並將所有接地連接到此層將不會很好地工作. 讓我們看看為什麼. Our design example has up to 3A of current that must flow from ground back to the source (a 24V car battery or a 24V power supply). 二極體的接地連接, 庫特, CIN公司, 負載將有更大的電流, 而開關調節器的接地連接將有一個小電流. 這同樣適用於電阻分壓器的接地基準. 如果上述所有接地針腳都連接到一個接地層, 將發生地面反彈. 雖然很小, sensitive points in the circuit (such as the resistive divider through which the feedback voltage is obtained) will not have a stable ground reference. 以這種管道, 整個電壓調節精度將受到很大影響. In fact, 隱藏在二級地平面中的源也會產生“振鈴”，很難定位. 另外, 高電流連接必須使用過孔連接到接地層, 這是另一個干擾和雜訊源. 更好的解決方案是將CIN接地連接為電路輸入和輸出側所有大電流接地導體的星形節點. This star node connects the ground plane and two small current ground connections (IC and voltage divider). 現在地平面將是乾淨的：沒有高電流, 無地面反彈. 所有高電流接地均星形連接至CIN接地. All the designer has to do is to keep the ground wires (all on the top layer of the PCB) as short and thick as possible. 需要檢查的節點是那些容易受到干擾的高阻抗節點. 關鍵節點是集成電路的迴響引脚, 其訊號來自電阻分壓器. The FB pin is the input to an amplifier (such as the LM25576) or a comparator (such as a hysteresis regulator). 在這兩種情况下，FB點的阻抗都相當高. 因此, 電阻分壓器應放置在FB引脚的右側, 使用從電阻分壓器中間到FB的短導線. 從輸出到電阻分壓器的引線是低阻抗的，可以使用更長的引線連接到電阻分壓器. 這裡重要的是接線方法，而不是導線長度. 其他節點並不那麼關鍵. 所以不用擔心切換節點, 二極體, 庫特, 開關調節器IC的VIN引脚, 或CIN.

Wiring method
The wiring method will make a difference to the resistor divider. 這條導線從COUT連接到電阻分壓器, 它的地面回到庫特. 我們必須確保環路不會形成開放區域. 開放區域用作接收天線. 如果我們能確保電線下的接地層沒有干擾, 然後，由導線和導線下的地面包圍的區域以及第1層和第2層之間的距離也應不受干擾. 現在很清楚為什麼地面不應該在第4層, 隨著距離的顯著增加. 另一種方法是在第1層佈線電阻分壓器的接地連接, 並使兩根電線平行並盡可能靠近，以使面積更小. 這些點適用於訊號流經的所有導線：感測器連接, 放大器輸出, ADC或音訊放大器輸入. 應對每個類比信號進行處理，以降低其拾取雜訊的可能性. The requirement to minimize open board area whenever possible also applies to low-impedance traces; in this case we have a potential source ("antenna") emitting interfering signals to other parts of the PCB or to other equipment. 重申, 開板面積越小, 更好. 另外兩條電線也很重要, 條帶從集成電路的開關輸出到二極體和電感節點； 第二個是從二極體到該節點. 這兩條導線的di很高/dt開關接通和二極體通電時, 所以這些電線應該盡可能短和厚. 從該節點到電感器以及從電感器到COUT的導線不那麼關鍵. 在本例中, 電感電流相對恒定，變化緩慢. 我們所要做的就是確保它是一個低阻抗點，以最小化電壓降.

Practical sample analysis
The main component is a controller that works with external FETs in an MSOP-8 package. 注意CIN附近的空間, 該電容器的接地點直接連接到二極體陽極. 你不能讓“電源接地”內的電線再短一點! The FET[SW] can be moved up a few millimeters to shorten the wire between the cathode-inductor-FET. COUT區域不可見. But we can observe that the resistor divider (FB1-FB2) is very close to this IC. FB2連接到另一個獨立接地層, 集成電路的接地引脚也以同樣的管道處理. 使用3個過孔將“訊號”接地連接到接地層, “電源”接地也連接到 PCB板 使用3個過孔. 這邊, “訊號”接地看不到“電源”接地上發生的任何地面反彈. 如果你能遵循上面的幾個簡單規則, 您的PCB佈局設計將更加流暢. 開始佈局設計之前, 花時間仔細考慮 PCB板 佈局設計將產生倍增效應, 這可以幫助您節省時間，解决未來開關電源中的异常行為.