工程師教您：如何快速創建開關電源的PCB版圖設計

如今的開關穩壓器和電源越來越緊湊，性能也日益強大，而越來越高的開關頻率是設計人員面臨的主要問題之一，正是它使得PCB的設計越來越困難。事實上，PCB版圖已經成為區分好與差的開關電源設計的分水嶺。本文針對如何一次性創建優秀PCB版圖提出一些建議。

考慮一個將24V降為3.3V的3A開關穩壓器。設計這樣一個10W穩壓器初看起來不會太困難，設計人員可能很快就可以進入實現階段。不過，讓我們看看在采用Webench等設計軟件后，實際會遇到哪些問題。如果我們輸入上述要求，Webench會從若干IC中選出“Simpler Switcher”系列中的LM25576(一款包括3A FET的42V輸入器件)。該芯片采用帶散熱墊的TSSOP-20封裝。

Webench菜單中包括了對體積或效率的設計優化。設計需要大容量的電感和電容，從而需要占用較大的PCB空間。Webench提供如表1的選擇。

表1：Webench提供的選擇

值得注意的是，最高效率是84%，且此最高效率是當輸入-輸出間的壓差很低時實現的。此例中，輸入/輸出比大于7。一般情況下，可以用兩級電路來降低級與級之間的比率，但通過兩個穩壓器實現的效率不會更好。

接著，我們選PCB面積最小的最高開關頻率。高開關頻率最可能在版圖方面產生問題。Webench可以生成帶全部有源和無源器件的電路圖。圖2所示的簡化電路圖對了解基本情況幫助甚大?？匆豢措娏魍罚喊袴ET在導通狀態下的回路標記為紅色;把FET在截至狀態下的回路標記為綠色。我們可以觀察到兩種不同情況：有兩種顏色的區域和僅一種顏色的區域。我們必須特別關注后一種情況，因此時電流在零和滿量程之間交替變化。這些是具有高di/dt 的區域。

高di/dt的交變電流將在PCB導線周圍產生顯著的磁場，該磁場將成為該電路內其它器件甚至同一或鄰近PCB上其它電路的主要干擾源。假定這不是交變電流，那么公共電流通路并不是太重要，di/dt的影響也小得多。另一方面，隨著時間變化，這些區域將承載更大負載。本例中，從二極管陰極到輸出以及從輸出地到二極管陽極就是公共通路。當輸出電容器充放電時，該電容會產生很高的di/dt。連接輸出電容的所有線段必須滿足兩個條件：因為電流大，因此它們的寬度要寬;為了最小化di/dt的影響，它們又必須盡量短。

PCB版圖設計要點

實際上，設計人員不應采用把導線從Vout和地引至電容的方法實現所謂的傳統版圖。這些導線將承載很大的交變電流，因此將輸出和地直接連至電容端子是個更好的方法。這樣交替變化的電流僅表現在電容上。連接電容的其它導線現在承載的幾乎是恒定電流，因而與di/dt相關的任何問題得到了很好的解決。地是另一個經常被誤解的難題。簡單地在“第2層”放置一個地平面，并將全部地線連接到這一層不會有很好的效果。

讓我們看看為什么。我們的設計例子有高達3A的電流必須從地流回源(一個24V汽車電池或一個24V電源)。在二極管、COUT、CIN和負載的地連接處會有較大電流，而開關穩壓器的地連接流經的電流小。同樣情況也適用于電阻分壓器的參考地。若上述全部地引腳都連至一個地平面，將出現地線反彈現象。雖然很小，但電路中的敏感點(如借以獲得反饋電壓的電阻分壓器)將不會有穩定的參考地。這樣，整個穩壓精度將受到極大影響。實際上，隱藏在第二層地平面中的源還會產生“振鈴”現象，而且非常難以定位。

此外，大電流連接必定用到連接地平面的過孔，而過孔是另一個干擾和噪聲源。把CIN地連接作為電路輸入和輸出側所有大電流地導線的星型節點是個較好的解決方案。這個星型節點連接地平面和兩個小電流地連接(IC和分壓器)。