開關(guān)電源和調(diào)節(jié)器用印刷電路板布局指南

電源和調(diào)節(jié)器可以有各種形狀和尺寸。雖然它們通常被視為不同的產(chǎn)品，但它們在電氣上是等效的，特別是開關(guān)調(diào)節(jié)器。從高級系統(tǒng)的角度來看，電源中的開關(guān)調(diào)節(jié)器部分和實(shí)際的調(diào)節(jié)器電路在同一框圖中執(zhí)行相同的功能。

對于電源來說，這只是一個(gè)規(guī)模問題，以及調(diào)節(jié)器如何與系統(tǒng)中的其他電源轉(zhuǎn)換模塊集成。電源中的開關(guān)調(diào)節(jié)器部分和印刷電路板上的開關(guān)調(diào)節(jié)器電路應(yīng)按照相同的一般指導(dǎo)原則進(jìn)行布置，以確保低噪聲運(yùn)行。

在接下來的章節(jié)中，我想簡單地關(guān)注一下電源和調(diào)節(jié)器是如何不同的，盡管這對于大多數(shù)設(shè)計(jì)師來說應(yīng)該已經(jīng)很清楚了。一個(gè)電源將（或應(yīng)該）包括一個(gè)功率調(diào)節(jié)器，但是調(diào)節(jié)器可以是一個(gè)獨(dú)立的電路，它不是我們所說的電源的一部分。對于電源和帶有板載調(diào)節(jié)器的PCB，開關(guān)調(diào)節(jié)器布局將是整個(gè)系統(tǒng)性能的主要決定因素。因此，我們將主要從調(diào)節(jié)器布局的角度來看開關(guān)電源的一些布局指南。

在研究開關(guān)電源的調(diào)節(jié)器部分之前，我們應(yīng)該先看一下整個(gè)系統(tǒng)的高層框圖。如果您正在設(shè)計(jì)一個(gè)電源單元，那么整個(gè)單元將具有如下所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于從墻上插座獲取交流電源的電源來說，這一點(diǎn)尤為重要。

開關(guān)電源的框圖

上面的方塊圖可以在多塊板上實(shí)現(xiàn)，盡管通常將所有的東西都放在一塊板上，為大型變壓器留出一些空間，散熱器風(fēng)扇和機(jī)械支架，特別是高壓/電流電源。如果你正在為一塊插入電源單元的電路板設(shè)計(jì)一個(gè)小型穩(wěn)壓器，那么你無論如何都要在上面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中工作，你只需要在輸出調(diào)節(jié)器和你的新調(diào)節(jié)器之間建立一個(gè)接地連接。同樣，這在大電流電源中很常見。

在上圖中還有一些其他要點(diǎn)需要討論：

在上面的方塊圖中，我們有三個(gè)獨(dú)立的地面區(qū)域，用蓋子綁在一起。不要盲目地遵循這一準(zhǔn)則：沒有單塊PCB接地技術(shù)它能解決所有的噪音源，你應(yīng)該注意以上的使用上限。這是為了說明一種確保所有地面區(qū)域的地電位一致的方法；這是工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)中推薦的接地方法。這里的想法是阻止任何可能在兩個(gè)接地部分之間產(chǎn)生的直流電位

這里的危險(xiǎn)是產(chǎn)生接地回路和共模噪聲，然后必須對其進(jìn)行過濾。用這種方式將接地連接在一起基本上就是當(dāng)你有一個(gè)金屬底盤時(shí)所做的，而塑料外殼會使接地隔離。這變得很棘手，需要仔細(xì)的電路設(shè)計(jì)和PCB布局來保持通過所有EMC測試 .

輸出級不需要電隔離；這取決于直流調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(查看反激變換器的一個(gè)很好的例子). 通常在輸出端安裝傳導(dǎo)EMI濾波電路或共模扼流圈，以抑制到達(dá)負(fù)載電路的共模電流。除此之外，輸出調(diào)節(jié)器級將使用針對特定調(diào)節(jié)器拓?fù)涞淖罴褜?shí)踐進(jìn)行布局。我將在下面介紹監(jiān)管機(jī)構(gòu)布局的這些更廣泛的想法。

電源單元的輸出級可能不是系統(tǒng)中的最終調(diào)節(jié)器。相反，它可以給另一個(gè)調(diào)節(jié)器或一系列調(diào)節(jié)器供電，每一個(gè)調(diào)節(jié)器都將在某個(gè)最大電流下為一組元件提供一個(gè)設(shè)定電壓。同樣，這可以在一個(gè)單板或多個(gè)板上完成（一個(gè)用于電源，另一個(gè)用于調(diào)節(jié)器級）：

開關(guān)電源的配電圖

上面的電源樹顯示了并聯(lián)的調(diào)節(jié)器（菊花鏈），但這些也可以級聯(lián)在樹型拓?fù)渲?。PDN中的電流映射非常有用，因?yàn)樗梢詭椭焖倮L制出每個(gè)下游調(diào)節(jié)器級將貢獻(xiàn)給PDN中總電流的電流。總電流和單個(gè)電流將決定為系統(tǒng)中的每個(gè)部分輸送足夠電流所需的電源軌或電源平面的尺寸。

現(xiàn)在我們可以看到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)，我們可以了解如何布置開關(guān)電源中的每個(gè)電路塊和整個(gè)系統(tǒng)，以確保低電磁干擾和安全性。在創(chuàng)建PCB布局時(shí)，請考慮整個(gè)框圖：

• 分區(qū)布局：與其他具有多個(gè)功能塊的板類似，請嘗試將電源板分為多個(gè)部分。在方框圖中，以從輸入到輸出的線性方式進(jìn)行這項(xiàng)工作是可以的。

• 規(guī)劃布局并提供反饋：有時(shí)，例如在精密大電流穩(wěn)壓器中，您會在各部分之間得到一些反饋。使用 光電耦合器連接各部分之間的接地間隙。

• 遵循地面返回路徑：如果在PCB設(shè)計(jì)中有任何通用的指導(dǎo)原則，那可能就是“遵循您的接地回路”。對于電源，這對于確定共模電流可能產(chǎn)生的位置和確保每個(gè)供電部分的低回路電感非常重要。

• 注意大電流和高壓鋼軌：高壓和大電流的設(shè)計(jì)有時(shí)是混合的。兩個(gè)導(dǎo)體之間的最大電位差將決定它們的最小間距（見IPC-2221），導(dǎo)體攜帶的電流將決定其所需的寬度，以確保低溫（內(nèi)層或外層見IPC-2152）。

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光耦是一種小型集成電路，可以用來橋接兩個(gè)電流隔離接地區(qū)域的數(shù)據(jù)或感測信號。該光耦（U4）被用于LLC諧振變換器中，作為反饋回路的一部分電流檢測放大器對變換器開關(guān)頻率進(jìn)行精確調(diào)整。

在完成PDN設(shè)計(jì)部分時(shí)，您還應(yīng)該考慮每個(gè)部分將如何接地，以及如何將接地連接在一起以提供一致的參考電位。這對于防止電磁干擾非常重要，正如我在上面提到的。這應(yīng)該在您開始工作PCB布局之前完成。

一旦您為調(diào)節(jié)器選擇了元件，創(chuàng)建了原理圖，并設(shè)計(jì)了接地/配電策略，您就可以開始考慮PCB布局。開關(guān)電源調(diào)節(jié)器的PCB布局是關(guān)于權(quán)衡的：您需要平衡導(dǎo)體尺寸和間隙要求，但您需要的東西是緊湊的。

我們已經(jīng)在這個(gè)博客上發(fā)布了多個(gè)關(guān)于布局特定調(diào)節(jié)器拓?fù)涞闹改?。下面的列表顯示了一些適用于您的系統(tǒng)的廣泛的指導(dǎo)原則，而不是對所有這些可能性進(jìn)行分析。

1. 始終為您的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最小間隙和跟蹤寬度規(guī)則。

2. 將電壓/電流感應(yīng)的所有反饋線保持短，盡可能采用最直接的布線方式。

3. 你可能需要在你的驅(qū)動和控制器IC周圍聚集一些控制和感知組件，所以要確保它們之間的連接很短；把這些組件集中在一個(gè)狹小的區(qū)域是可以的（見下文）。

4. 如果你是為大電流設(shè)計(jì)的話，可以考慮厚銅甚至金屬芯PCB。

5. 不要害怕使用多邊形作為組件或連接器的安裝墊。如果需要的話，要小心直接綁回飛機(jī)上熱釋壓 .

6. 即使DC-DC可以有非常高的效率，他們?nèi)匀豢梢宰兊煤軣?。請確保在布局中為IC上的任何散熱器（如果有）留出空間。另一個(gè)選擇是使用熱界面材料。

開關(guān)電源布局的某些部分可以非常緊湊，并且可以有更寬的軌道/多邊形。不要害怕使用這些元素，以確保您在安全的溫度下工作，并創(chuàng)建一個(gè)低電感布局。

開關(guān)調(diào)節(jié)器的具體布局指南將取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組件數(shù)量、反饋的存在和接地策略。希望您已經(jīng)考慮過接地以防止電磁干擾，并在開始PCB布局之前提供任何所需的隔離。要查看針對您的特定監(jiān)管機(jī)構(gòu)的一些更具體的指導(dǎo)方針，請查看以下其他資源：

• 如何設(shè)計(jì)升壓調(diào)壓器

• 隔離電源與非隔離電源：正確的選擇

• LLC諧振變換器設(shè)計(jì)與PCB版圖設(shè)計(jì)

• 低噪聲、低電磁干擾調(diào)壓器

顯然，在上面的開關(guān)電源和調(diào)節(jié)器電路的布局指南列表中有很多需要考慮的因素。那還缺什么？在上述討論中，電力監(jiān)管和交付的幾個(gè)關(guān)鍵方面并未出現(xiàn)：

• PDN阻抗：如果你沒有設(shè)計(jì)高速/高頻元件，你可能不需要擔(dān)心PDN阻抗。只要確保使用肥碩的電源軌和大量地面澆灌. 如果您設(shè)計(jì)的是高速/高頻，那么低PDN阻抗對于抑制紋波非常重要，這通常是通過大量的去耦電容和高行間電容 .

• 電源EMI：我在上面提到過這個(gè)。任何時(shí)候你創(chuàng)建一個(gè)PCB布局，你都應(yīng)該考慮確保低電磁干擾，但是除了低回路電感布線之外，抑制電磁干擾和通過電磁兼容測試還有很多工作要做。我將在一篇關(guān)于電源EMI的文章中討論這些要點(diǎn)。

• 模擬功率：在這里，我們看到的是通常在數(shù)字集成電路中討論的開關(guān)變換器。模擬元件呢？他們的電力需求可能大不相同。產(chǎn)生模擬/射頻信號的數(shù)字集成電路通常在內(nèi)部進(jìn)行。然而，也有專門的LDO（例如NCP161BMX280TBG)或開關(guān)調(diào)節(jié)器（例如 LTC3388IMSE-1型 ).

另外還有元件選擇的問題，比如選擇電感器以確保低EMI和共模噪聲耦合，以及確保低紋波電流。上表中的最后一點(diǎn)也很重要，因?yàn)榧兡M電路的布局風(fēng)格與數(shù)字系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器或嵌入式電源不同。一旦在極高頻率下工作，由于寄生電容，射頻電源問題就更難解決，這與中所見類似不穩(wěn)定放大器電路. 這是我喜歡的另一個(gè)話題，但我將離開這里，換一篇博客文章。

這個(gè)簡單的調(diào)節(jié)器可以處理2層PCB上的中等功率

利用好PCB設(shè)計(jì)工具，可以實(shí)現(xiàn)我在這里概述的開關(guān)電源布局指南。您還將擁有找到調(diào)節(jié)器IC、大型調(diào)節(jié)器電路的組件和系統(tǒng)的其他組件所需的工具。對于涉及傳導(dǎo)或輻射EMI的更高級計(jì)算，Altium Designer用戶可以使用EDB Exporter extension將其設(shè)計(jì)導(dǎo)入到Ansys field solvers. 這對場求解器和設(shè)計(jì)應(yīng)用程序幫助您在開始原型運(yùn)行之前驗(yàn)證布局。