PCB科技 - 開關穩壓器設計的PCB佈局

為什麼是好的 PCB佈局 重要的?

每個2.5cm PCB軌跡的軌跡電感約為20nH。 準確的電感值取決於軌跡的厚度、寬度和幾何形狀，但根據經驗，通常取20nH/2.5cm是可行的。 假設降壓調節器提供5A的輸出電流，您將看到電流從0A切換到5A。 當開關電流較大且開關轉換時間較短時，可以使用以下公式計算微小軌跡電感產生的電壓偏移量：

假設導線長度為2.5cm（20nH），輸出電流為5A（降壓調節器中的5A開關電流），MOSFET功率開關的開關時間為30ns，則電壓偏移為3.33V。

可以看出，只有2.5cm的軌跡電感可以產生相當大的電壓偏移。 這種轉換甚至經常導致開關模式電源的完全故障。 將輸入電容器放置在距離開關穩壓器輸入引脚幾釐米的地方通常會導致開關電源無法工作。 在佈局不當的電路板上，如果開關電源仍能工作，則會產生很大的電磁干擾（EMI）。

在上述公式中，唯一可以更改的參數是軌跡電感。 軌跡可以盡可能短，以减少軌跡電感。 較厚的銅線也有助於减少電感。 由於負載所需的功率是固定的，囙此電流參數無法更改。 對於轉換時間，它可以更改，但一般不想更改。 减慢開關時間可以减少產生的電壓偏移，從而减少電磁干擾，但開關損耗會新增，您必須在較低的開關頻率下工作，並使用昂貴且體積龐大的功率設備。

查找交流電流軌跡

在開關電源的PCB佈局中，最重要的標準是以某種管道使交流軌跡盡可能短。 如果你能仔細遵循這個規則，良好的電路板佈局可以說已經成功了80%。 為了找到這些在短時間（轉換時間）內將電流從“全電流”更改為“無電流”的交流電源，請繪製3次示意圖。 它是一種簡單的降壓開關電源。 在頂部的示意圖中，接通期間的電流用虛線繪製。 在中間示意圖中，關閉時間內的電流用虛線繪製。 底部的示意圖特別值得注意。 在這裡，繪製了電流從接通時間到斷開時間變化的所有軌跡。

通過這種方法，您可以輕鬆找到任何開關電源拓撲的交流電流軌跡。

在評估現有電路板佈局和佈線時，一種好方法是將其列印在紙上並放置一塊透明的塑膠板，然後在打開和關閉期間使用不同顏色的筆來吸取電流。 流向和相應的交流接線。 雖然我們傾向於認為這項相對簡單的任務可以在我們的頭腦中完成，但我們在思考過程中經常犯一些小錯誤。 囙此，強烈建議在紙上畫線。

實現良好的PCB佈局和佈線

降壓調節器的交流接線。 必須注意的是，一些接地記錄道也是交流記錄道，也需要盡可能短。 此外，對於這些交流電流路徑，建議不要使用任何過孔，因為過孔的電感也相當高。 這條規則幾乎沒有例外。 如果交流路徑不使用過孔，實際上會導致比過孔本身更大的軌跡電感，囙此建議使用過孔。 多個並行過孔優於僅使用單個過孔。

使用ADP2300降壓調節器的電路板佈局示例。 檢查圖中交流接線是否按絕對最短路徑佈置。

連接A佈置在盡可能短的路徑中，因為C2的高壓側連接可以以最短的軌跡連接到開關MOSFET（ADP2300的引脚5，即Vin引脚）。

連接B是引脚6（SW引脚）和二極體D1陰極側之間的軌跡。 我們還看到軌跡盡可能短，以减少軌跡電感。

連接C是二極體D1的陽極和C2的接地連接之間的軌跡. 這個 PCB焊盤 這兩個器件中的一個彼此相鄰，並且具有最低的軌跡電感. 此外, 這也有助於交流電流不通過安靜的接地層. 接地層只能用作參攷電壓, and preferably no current (especially no AC current) flows through the ground plane. C2旁邊的過孔將PCB頂層的接地區域連接到底層的接地, 但沒有交流電流流過這些通孔.

電感的特殊注意事項

就電磁干擾而言，還必須考慮電感。 實際的設備並不像許多人想像的那樣對稱。 電感器具有磁芯，磁芯圍繞導線。 繞組總是有起始端和結束端。 起始端連接到電感器的內繞組，結束端連接到電感器的外繞組。 繞組的開始部分通常在裝置上標記一個點。 將起始端連接到嘈雜的開關節點，將結束端連接到安靜的電壓，這一點非常重要。 對於降壓穩壓器，安靜電壓是輸出電壓。 這樣，外部繞組上的固定電壓可以電遮罩內部繞組上的交流開關節點電壓，從而降低電源的電磁干擾。

順便提一下，所謂的遮罩電感器是相同的。 具有一定磁導率的遮罩電感器的外部確實使用了一定的遮罩資料，這將擰緊封裝側的大部分磁力線。 然而，這種資料只能抑制磁場，而不能抑制電場。 外繞組上的交流電壓主要是由電力或電容耦合引起的問題，遮罩電感器的遮罩資料不會抑制這種耦合。 囙此，還應將遮罩電感器放置在電路板上，以將雜訊開關節點連接到繞組的起點，以最小化電磁干擾。

開關電源良好電路板佈局的基礎

工程課程通常不教授如何實現良好的電路板佈局. 高頻射頻課程將研究軌跡阻抗的重要性, 但是，需要構建自己的系統電源的工程師通常不會將電源視為高頻系統, and ignore the importance of circuit board layout 和路由. 電路板佈局和接線不當引起的大多數問題可歸因於不受控制的交流電流軌跡，盡可能短且緊湊. 理解本文中描述的電路板佈局指南背後的原因並嚴格遵守這些指南將最大限度地减少任何 PCB設計-開關電源的相關問題.