開(kāi)關穩壓器(qì)設計(jì)的PCB布局布線

       開(kāi)關模式電(diàn)源用于将一個(gè)電(diàn)壓轉換為(wèi)另一個(gè)電(diàn)壓。這種電(diàn)源的效率通(tōng)常很(hěn)高(gāo)，因此，在許多(duō)應用中，它取代了線性穩壓器(qì)。 

    開(kāi)關頻率與開(kāi)關轉換 
    開(kāi)關模式電(diàn)源以一定的開(kāi)關頻率工作(zuò)。開(kāi)關頻率既可(kě)以是固定的(例如在PWM型控制(zhì)中)，也可(kě)以根據某些(xiē)因素而變化(例如在PFM或遲滞型控制(zhì)中)。無論何種情況，開(kāi)關模式電(diàn)源的工作(zuò)原理(lǐ)，都在于它有(yǒu)一定的開(kāi)啓時(shí)間(jiān)Ton和(hé)一定的關閉時(shí)間(jiān)Toff.一個(gè)50%占空(kōng)比的典型開(kāi)關周期。這意味着，在完整周期T的50%時(shí)間(jiān)裏，轉換器(qì)中有(yǒu)某一電(diàn)流;在另外50%時(shí)間(jiān)裏，轉換器(qì)中有(yǒu)不同的電(diàn)流。 
    當我們考慮系統噪聲時(shí)，實際的開(kāi)關頻率(換言之，周期長度T)并不是很(hěn)重要。如果它在系統的敏感信号頻率範圍內(nèi)，開(kāi)關頻率或其諧波可(kě)能會(huì)影(yǐng)響系統。但(dàn)一般而言，開(kāi)關頻率并不是影(yǐng)響系統的最大(dà)因素。 
    在開(kāi)關模式電(diàn)源中，真正重要的是開(kāi)關轉換的速度。我們可(kě)以看到開(kāi)關轉換在時(shí)間(jiān)标度上(shàng)的放大(dà)圖。在周期T為(wèi)2us的時(shí)間(jiān)标度上(shàng)，對于500kHz PWM開(kāi)關頻率，轉換看起來(lái)像是一條垂直線。但(dàn)放大(dà)後，我們可(kě)以看到，開(kāi)關轉換通(tōng)常需要30到90ns的時(shí)間(jiān)。 
    為(wèi)什麽良好的PCB布局布線非常重要? 
    每2.5cm PCB走線具有(yǒu)大(dà)約20nH的走線電(diàn)感。确切的電(diàn)感值取決于走線的厚度、寬度和(hé)幾何形狀，但(dàn)根據經驗，一般取20nH/2.5cm切實可(kě)行(xíng)。假設一個(gè)降壓穩壓器(qì)提供5A的輸出電(diàn)流，我們将會(huì)看到電(diàn)流從0A切換到5A.當開(kāi)關電(diàn)流很(hěn)大(dà)且開(kāi)關轉換時(shí)間(jiān)很(hěn)短(duǎn)時(shí)，我們可(kě)以利用下面的公式，計(jì)算(suàn)微小(xiǎo)的走線電(diàn)感會(huì)産生(shēng)多(duō)大(dà)的電(diàn)壓偏移： 
    假設走線長2.5cm(20nH)，輸出電(diàn)流為(wèi)5A(降壓穩壓器(qì)中的5A開(kāi)關電(diàn)流)，MOSFET功率開(kāi)關的轉換時(shí)間(jiān)為(wèi)30ns，那(nà)麽電(diàn)壓偏移将是3.33V.由此可(kě)見，僅僅2.5cm的走線電(diàn)感就能産生(shēng)相當大(dà)的電(diàn)壓偏移。這種偏移甚至常常導緻開(kāi)關模式電(diàn)源完全失效。将輸入電(diàn)容放在離開(kāi)關穩壓器(qì)輸入引腳幾厘米的地方，通(tōng)常就會(huì)導緻開(kāi)關電(diàn)源不能工作(zuò)。在布局布線不當的電(diàn)路闆上(shàng)，如果開(kāi)關電(diàn)源仍能工作(zuò)，它将産生(shēng)非常大(dà)的電(diàn)磁幹擾(EMI)。 
    在上(shàng)面的公式中，我們唯一能改變的參數(shù)是走線電(diàn)感。我們可(kě)以使走線盡可(kě)能短(duǎn)，從而降低(dī)走線電(diàn)感。較厚的銅線也有(yǒu)助于降低(dī)電(diàn)感。由于負載所需的功率固定，因此我們無法改變電(diàn)流參數(shù)。對于轉換時(shí)間(jiān)而言，我們可(kě)以改變，但(dàn)一般不想改變。減慢轉換時(shí)間(jiān)可(kě)以降低(dī)産生(shēng)的電(diàn)壓偏移，從而降低(dī)EMI，但(dàn)是開(kāi)關損耗卻會(huì)提高(gāo)，我們将不得(de)不以較低(dī)的開(kāi)關頻率并利用昂貴而龐大(dà)的電(diàn)源器(qì)件工作(zuò)。 
    找到交流電(diàn)流走線 
    在開(kāi)關模式電(diàn)源的PCB布局布線中，最重要的準則是以某種方式使交流走線盡可(kě)能短(duǎn)。如果能認真遵守這一準則，良好的電(diàn)路闆布局布線可(kě)以說已經成功了80%.為(wèi)了找到這些(xiē)在很(hěn)短(duǎn)的時(shí)間(jiān)(轉換時(shí)間(jiān))內(nèi)将電(diàn)流從"滿電(diàn)流"變為(wèi)"無電(diàn)流"的交流走線，我們将原理(lǐ)圖繪制(zhì)了三次。它是一個(gè)簡單的降壓型開(kāi)關模式電(diàn)源。在頂部的原理(lǐ)圖中，我們用虛線畫(huà)出了開(kāi)啓時(shí)間(jiān)內(nèi)電(diàn)流的流動。在中間(jiān)的原理(lǐ)圖中，我們用虛線畫(huà)出了關閉時(shí)間(jiān)內(nèi)電(diàn)流的流動。底部的原理(lǐ)圖特别值得(de)注意。這裏，我們畫(huà)出了電(diàn)流從開(kāi)啓時(shí)間(jiān)變為(wèi)關閉時(shí)間(jiān)的所有(yǒu)走線。 
    通(tōng)過這種方法，我們可(kě)以輕松找到任何開(kāi)關模式電(diàn)源拓撲結構的交流電(diàn)流走線。 
    在評估現有(yǒu)的電(diàn)路闆布局布線時(shí)，一個(gè)好的辦法是将其打印在紙上(shàng)，并放上(shàng)一張透明(míng)的塑料闆，然後用不同顔色的筆，畫(huà)出開(kāi)啓時(shí)間(jiān)和(hé)關閉時(shí)間(jiān)內(nèi)的電(diàn)流流向及相應的交流走線。雖然我們傾向于認為(wèi)，能夠在頭腦(nǎo)中完成這一相對簡單的工作(zuò)，但(dàn)在思維過程中，我們常常會(huì)犯一些(xiē)小(xiǎo)錯誤，因此，強烈建議在紙上(shàng)繪出走線。 
    實現良好的PCB布局布線 
    降壓穩壓器(qì)的交流走線。必須注意，某些(xiē)接地走線也是交流走線，同樣需要保持盡可(kě)能短(duǎn)。此外，對于這些(xiē)交流電(diàn)流路徑，建議不要使用任何過孔，因為(wèi)過孔的電(diàn)感也相當高(gāo)。對于這一規則，僅有(yǒu)非常少(shǎo)的例外情況。如果交流路徑不使用過孔，将實際導緻比過孔本身更大(dà)的走線電(diàn)感，那(nà)麽建議使用過孔。多(duō)個(gè)過孔并聯優于僅使用單個(gè)過孔。 
    采用ADI公司ADP2300降壓穩壓器(qì)的電(diàn)路闆的布局布線示例。我們檢查一下，圖中的交流走線是否是按絕對最短(duǎn)的路徑布設。 
    連接A是按照盡可(kě)能短(duǎn)的路徑布設，因為(wèi)C2的高(gāo)側連接能夠以最短(duǎn)的走線連接到開(kāi)關MOSFET(ADP2300的引腳5，即Vin引腳)。 
    連接B是引腳6(SW引腳)與二極管D1的陰極側之間(jiān)的走線。我們同樣看到該走線盡可(kě)能短(duǎn)，以降低(dī)走線電(diàn)感。 
    連接C是二極管D1的陽極與C2的接地連接之間(jiān)的走線。這兩個(gè)器(qì)件的焊盤彼此相鄰，具有(yǒu)最低(dī)的走線電(diàn)感。此外，這也有(yǒu)利于該交流電(diàn)流不經過安靜的接地層。接地層應僅用作(zuò)基準電(diàn)壓，最好沒有(yǒu)電(diàn)流(特别是沒有(yǒu)交流電(diàn)流)流過接地層。C2旁邊的過孔将PCB頂層的接地區(qū)域連接到底層的地，但(dàn)沒有(yǒu)交流電(diàn)流流經這些(xiē)過孔。 
    電(diàn)感的特殊考慮 
    在EMI方面，我們也必須考慮電(diàn)感。實際器(qì)件并不像許多(duō)人(rén)認為(wèi)的那(nà)樣對稱。電(diàn)感有(yǒu)一個(gè)磁芯，磁芯周圍繞着電(diàn)線。繞組總有(yǒu)一個(gè)起始端和(hé)一個(gè)結束端。起始端連接到電(diàn)感的內(nèi)繞組，結束端從電(diàn)感的外繞組接出。圖4所示為(wèi)典型的鼓式電(diàn)感的示意圖。繞組的起始端通(tōng)常在器(qì)件上(shàng)标有(yǒu)一個(gè)圓點。将起始端連接到高(gāo)噪聲開(kāi)關節點，将結束端連接到安靜的電(diàn)壓非常重要。對于降壓穩壓器(qì)，安靜的電(diàn)壓就是輸出電(diàn)壓。這樣，外繞組上(shàng)的固定電(diàn)壓，可(kě)以在電(diàn)氣上(shàng)屏蔽內(nèi)繞組上(shàng)的交流開(kāi)關節點電(diàn)壓，從而電(diàn)源的EMI将會(huì)較低(dī)。 
    順便提一下，所謂的屏蔽電(diàn)感也是如此。具有(yǒu)一定磁導率的屏蔽電(diàn)感的外部，确實使用了某種屏蔽材料，該材料會(huì)收緊封裝側的大(dà)部分磁力線。然而，這種材料隻能抑制(zhì)磁場(chǎng)，而不能抑制(zhì)電(diàn)場(chǎng)。外繞組上(shàng)的交流電(diàn)壓主要是電(diàn)氣或容性耦合引起的問題，屏蔽電(diàn)感的屏蔽材料沒有(yǒu)抑制(zhì)此類耦合。因此，屏蔽電(diàn)感也應放在電(diàn)路闆上(shàng)，以便将高(gāo)噪聲開(kāi)關節點連接到繞組起始端，從而将EMI降到最低(dī)。 
    開(kāi)關模式電(diàn)源良好電(diàn)路闆布局布線的基礎 
    工程課程一般不會(huì)教授如何實現良好的電(diàn)路闆布局布線。高(gāo)頻RF類課程會(huì)研究走線阻抗的重要性，但(dàn)需要自行(xíng)構建系統電(diàn)源的工程師(shī)，通(tōng)常不會(huì)将電(diàn)源視(shì)為(wèi)高(gāo)頻系統，而忽視(shì)了電(diàn)路闆布局布線的重要性。電(diàn)路闆布局布線不當引起的大(dà)多(duō)數(shù)問題，都可(kě)以歸結為(wèi)未控制(zhì)交流電(diàn)流走線盡可(kě)能短(duǎn)并且緊湊。了解本文所述電(diàn)路闆布局布線準則背後的理(lǐ)由并嚴格遵守，将能夠把開(kāi)關模式電(diàn)源的任何PCB相關問題降到最小(xiǎo)。