嵌入式開關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)

在任何開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，PCB板的物理設(shè)計(jì)都是最后一個(gè)環(huán)節(jié)，如果設(shè)計(jì)方法不當(dāng)，PCB可能會(huì)輻射過(guò)多的電磁干擾，造成電源工作不穩(wěn)定。作為設(shè)計(jì)者，必須理解電路的物理工作原理，設(shè)計(jì)出高品質(zhì)的PCB。

開關(guān)電源中包含有高頻信號(hào)，PCB上任何印制線都可以起到天線的作用，印制線的長(zhǎng)度和寬度會(huì)影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應(yīng)。即使是藉由直流信號(hào)的印制線也會(huì)從鄰近的印制線耦合到射頻信號(hào)并造成電路問(wèn)題(甚至再次輻射出干擾信號(hào))。因此應(yīng)將所有藉由交流電流的印制線設(shè)計(jì)得盡可能短而寬，這意味著必須將所有連接到印制線和連接到其他電源線的零配件放置得很近。印制線的長(zhǎng)度與其表現(xiàn)出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比。長(zhǎng)度反映出印制線響應(yīng)的波長(zhǎng)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，印制線能發(fā)送和接收電磁波的頻率越低，它就能輻射出更多的射頻能量。

為電源開關(guān)或同步整流功能的設(shè)計(jì)選擇合適的MOSFET也能有助于減少電磁干擾，當(dāng)MOSFET器件斷電時(shí)，低的C？ oss？ (象FDS6690A)能減少尖峰脈沖的干擾。

主要的電流回路

圖1：三種主要的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)的電流回路，注意它們的區(qū)別。
每一個(gè)開關(guān)電源都有四個(gè)電流回路(圖1)，回路之間保持相對(duì)獨(dú)立，在一個(gè)良好布局的PCB，其重要性順序如下：電源開關(guān)交流回路

交流電路的龍福仁出口

輸入信號(hào)源電流回路

負(fù)電流電路負(fù)載出口

輸入的信號(hào)源和輸出負(fù)載電流回路通常不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，這些回路中的電流波形為大的直流電流和小的交流電流的疊加。這兩個(gè)回路中通常需要特殊的濾波器防止交流噪聲泄漏到周圍環(huán)境中，輸入及輸出電流回路應(yīng)分別只從濾波電容的接線端連接到電源。輸入回路藉由一個(gè)近似直流的電流對(duì)輸入電容充電，但無(wú)法提供開關(guān)電源所需的高頻電流脈沖。濾波電容主要起到一個(gè)寬帶儲(chǔ)能作用；類似地，輸出濾波電容也用來(lái)儲(chǔ)存來(lái)自輸出整流器的高頻能量，同時(shí)消除輸出負(fù)載回路的直流能量。所以，輸入和輸出濾波電容的接線端十分重要，如果在輸入/輸出回路電源開關(guān)/整流回路之間的連接無(wú)法與電容的接線端直接相連，交流能量將“流經(jīng)”輸入或輸出濾波電容并輻射到環(huán)境中去。

圖2：兩種基本PWM工作模式的電流波形產(chǎn)生比開關(guān)頻率高很多的諧波電流波形。
電源開關(guān)和整流器的交流回路包含高幅梯形電流波形(圖2)。這些波形中諧波成分很高，其頻率遠(yuǎn)大于開關(guān)基頻，這些交流電流的峰值幅度可高達(dá)持續(xù)輸入/輸出直流電流幅度的5倍，過(guò)渡時(shí)間通常約為50ns，這兩個(gè)回路最容易產(chǎn)生電磁干擾。

設(shè)計(jì)者必須在電源中其它印制線布線之前先布好這些交流回路，每個(gè)回路的三種主要的元件(濾波電容、電源開關(guān)或整流器、電感或變壓器)應(yīng)彼此相鄰地進(jìn)行放置，調(diào)整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短，圖3顯示出升壓(或降壓)轉(zhuǎn)換器電源部份的布線情況。

圖3：升壓(降壓)變換器電源部份的布局示例，確?？s短電流路徑的長(zhǎng)度。
這些回路中的印制線對(duì)轉(zhuǎn)換器測(cè)量效率影響也最大。選擇諸如DPAK或SO-8的封裝形式，可在散熱同時(shí)進(jìn)行信號(hào)傳輸，F(xiàn)airchild及其他供應(yīng)商的產(chǎn)品可將散熱和信號(hào)傳輸?shù)墓δ芙M合在一起。

接地很重要

接地是前面討論的電流回路的底層支路，但作為電路的公共參考點(diǎn)卻起著很重要的作用。因此，在布局中應(yīng)仔細(xì)考慮接地線的放置，將各種接地混合會(huì)造成電源工作不穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確定已考慮了另外的“控制地”，它是連接到控制IC和所有相關(guān)的無(wú)源器件的接地點(diǎn)，并且極為敏感，因此只有在布放好其他交流回路后再放置它?？刂频嘏c其它接地相連的點(diǎn)是非常特殊的(圖4)，通常，連接點(diǎn)位于控制IC感應(yīng)小電壓的所有元件的公共端。這些連接點(diǎn)包括電流模式開關(guān)變換器中的電流敏感電阻的公共端和輸出電阻分壓器的底端，其作用是在敏感元件和對(duì)電壓誤差或電流放大靈敏的輸入之間建立低噪聲的Kelvin連接。如果控制地連接到任何其它點(diǎn)，在那些額外回路中產(chǎn)生的噪聲會(huì)被疊加到控制信號(hào)上，反而會(huì)影響控制集體電路的工作。

圖4：三種主要的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)的接地方案。
設(shè)計(jì)者要確保每一個(gè)大電流的接地端采用盡量短而寬的印制線，通常，濾波電容的公共端應(yīng)是其它的接地點(diǎn)耦合到大電流的交流地的唯一連接點(diǎn)。

高電壓交流節(jié)點(diǎn)

每一個(gè)開關(guān)電源內(nèi)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與其它節(jié)點(diǎn)相比，它的交流電壓最高，這一節(jié)點(diǎn)是出現(xiàn)在電源開關(guān)管漏極(或集電極)的交流節(jié)點(diǎn)。在非隔離的DC/DC變換器中，這一節(jié)點(diǎn)也可連接到電感及接到(或輸出到)整流器；在隔離變壓器的結(jié)構(gòu)中，這一節(jié)點(diǎn)與變壓器的線圈分開。它在電性能上仍表現(xiàn)為公共節(jié)點(diǎn)，但僅藉由變壓器反映，每一個(gè)要分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

這一節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)不同的問(wèn)題，它的交流電壓可藉由電容耦合到附近不同金屬層的印制線上，并輻射出電磁干擾。然而，印制線通常還必須為電源開關(guān)管和整流器散熱，特別是表面黏著的電源。從電氣角度來(lái)看，印制線應(yīng)盡可能小，但從散熱角度看則應(yīng)大一些。在表面黏著的設(shè)計(jì)中(圖5)，有一個(gè)好的折中方法，制作和底層PCB板相同的頂層PCB板，并藉由許多孔(或過(guò)孔)連接在一起。

圖5：增強(qiáng)PCB板的散熱能力并減少其它印制線容性耦合的好方法。

這項(xiàng)技術(shù)大大地減少了對(duì)其它印制線的容性耦合，但卻成倍地增加了散熱量和表面區(qū)域。以一個(gè)SO8封裝的N溝道功率MOSFET(諸如FDS6670A)為例，在上層僅有325 mm▲2▲的覆銅區(qū)域，與空氣接觸的熱電阻是50(C/W，在PCB的底層加另一個(gè)相同的板并藉由8個(gè)過(guò)孔連接在一起，熱電阻降到39(C/W，因?yàn)樵诎遄拥牧硪粋?cè)不存在載有不同信號(hào)的金屬線，電容的容量將下降一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

在過(guò)孔應(yīng)用中，必須使其它信號(hào)和接地遠(yuǎn)離帶有高電壓的交流印制線和用來(lái)散熱的部份。在離線的變換器中，接地線可能從這個(gè)節(jié)點(diǎn)耦合能量，并使其藉由交流插頭從產(chǎn)品中導(dǎo)出，這就產(chǎn)生了過(guò)多的傳導(dǎo)電磁干擾。

并聯(lián)濾波電容

電容經(jīng)常并聯(lián)使用以減少濾波電容的并聯(lián)等效串聯(lián)電阻(ESR)，這一做法也使每一個(gè)電容能分流一部份波紋電流，以使每一個(gè)電容都能在其波紋電流的規(guī)范內(nèi)正常工作。只有當(dāng)電容間的印制線阻抗及每個(gè)波紋電流源相同時(shí)，才會(huì)“平均分流”波紋電流，這就要求在整流器或電源開關(guān)管之間電容間的印制線必須等長(zhǎng)且等寬。

圖6：并聯(lián)電容的正確放置是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。
按列放置電容并順序連線非常美觀(圖6a)，但這種布局會(huì)使距離電源開關(guān)或整流器最近的電容比其它電容器承受更多的波紋電流，從而縮短該電容的使用壽命，圖6b所示為并聯(lián)電容的較好布線方法。