開關電源和調節器用印刷電路板布局指南

電源和調節器可以有各種形狀和尺寸。雖然它們通常被視為不同的產品，但它們在電氣上是等效的，特別是開關調節器。從高級系統的角度來看，電源中的開關調節器部分和實際的調節器電路在同一框圖中執行相同的功能。

對于電源來說，這只是一個規模問題，以及調節器如何與系統中的其他電源轉換模塊集成。電源中的開關調節器部分和印刷電路板上的開關調節器電路應按照相同的一般指導原則進行布置，以確保低噪聲運行。

在接下來的章節中，我想簡單地關注一下電源和調節器是如何不同的，盡管這對于大多數設計師來說應該已經很清楚了。一個電源將（或應該）包括一個功率調節器，但是調節器可以是一個獨立的電路，它不是我們所說的電源的一部分。對于電源和帶有板載調節器的PCB，開關調節器布局將是整個系統性能的主要決定因素。因此，我們將主要從調節器布局的角度來看開關電源的一些布局指南。

在研究開關電源的調節器部分之前，我們應該先看一下整個系統的高層框圖。如果您正在設計一個電源單元，那么整個單元將具有如下所示的拓撲結構。對于從墻上插座獲取交流電源的電源來說，這一點尤為重要。

開關電源的框圖

上面的方塊圖可以在多塊板上實現，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，散熱器風扇和機械支架，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計一個小型穩壓器，那么你無論如何都要在上面的拓撲結構中工作，你只需要在輸出調節器和你的新調節器之間建立一個接地連接。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需要討論：

在上面的方塊圖中，我們有三個獨立的地面區域，用蓋子綁在一起。不要盲目地遵循這一準則：沒有單塊PCB接地技術它能解決所有的噪音源，你應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域的地電位一致的方法；這是工業以太網系統中推薦的接地方法。這里的想法是阻止任何可能在兩個接地部分之間產生的直流電位

這里的危險是產生接地回路和共模噪聲，然后必須對其進行過濾。用這種方式將接地連接在一起基本上就是當你有一個金屬底盤時所做的，而塑料外殼會使接地隔離。這變得很棘手，需要仔細的電路設計和PCB布局來保持通過所有EMC測試 .

輸出級不需要電隔離；這取決于直流調節器的拓撲結構(查看反激變換器的一個很好的例子). 通常在輸出端安裝傳導EMI濾波電路或共模扼流圈，以抑制到達負載電路的共模電流。除此之外，輸出調節器級將使用針對特定調節器拓撲的最佳實踐進行布局。我將在下面介紹監管機構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中的最終調節器。相反，它可以給另一個調節器或一系列調節器供電，每一個調節器都將在某個最大電流下為一組元件提供一個設定電壓。同樣，這可以在一個單板或多個板上完成（一個用于電源，另一個用于調節器級）：

開關電源的配電圖

上面的電源樹顯示了并聯的調節器（菊花鏈），但這些也可以級聯在樹型拓撲中。PDN中的電流映射非常有用，因為它可以幫助您快速繪制出每個下游調節器級將貢獻給PDN中總電流的電流。總電流和單個電流將決定為系統中的每個部分輸送足夠電流所需的電源軌或電源平面的尺寸。

現在我們可以看到整個系統的架構，我們可以了解如何布置開關電源中的每個電路塊和整個系統，以確保低電磁干擾和安全性。在創建PCB布局時，請考慮整個框圖：

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

• 規劃布局并提供反饋：有時，例如在精密大電流穩壓器中，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設計中有任何通用的指導原則，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生的位置和確保每個供電部分的低回路電感非常重要。

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

z

光耦是一種小型集成電路，可以用來橋接兩個電流隔離接地區域的數據或感測信號。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頻率進行精確調整。

在完成PDN設計部分時，您還應該考慮每個部分將如何接地，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。這應該在您開始工作PCB布局之前完成。

一旦您為調節器選擇了元件，創建了原理圖，并設計了接地/配電策略，您就可以開始考慮PCB布局。開關電源調節器的PCB布局是關于權衡的：您需要平衡導體尺寸和間隙要求，但您需要的東西是緊湊的。

我們已經在這個博客上發布了多個關于布局特定調節器拓撲的指南。下面的列表顯示了一些適用于您的系統的廣泛的指導原則，而不是對所有這些可能性進行分析。

1. 始終為您的系統實現最小間隙和跟蹤寬度規則。

2. 將電壓/電流感應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狹小的區域是可以的（見下文）。

4. 如果你是為大電流設計的話，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上熱釋壓 .

6. 即使DC-DC可以有非常高的效率，他們仍然可以變得很熱。請確保在布局中為IC上的任何散熱器（如果有）留出空間。另一個選擇是使用熱界面材料。

開關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，并創建一個低電感布局。

開關調節器的具體布局指南將取決于拓撲結構、組件數量、反饋的存在和接地策略。希望您已經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管機構的一些更具體的指導方針，請查看以下其他資源：

• 如何設計升壓調壓器

• 隔離電源與非隔離電源：正確的選擇

• LLC諧振變換器設計與PCB版圖設計

• 低噪聲、低電磁干擾調壓器

顯然，在上面的開關電源和調節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，電力監管和交付的幾個關鍵方面并未出現：

• PDN阻抗：如果你沒有設計高速/高頻元件，你可能不需要擔心PDN阻抗。只要確保使用肥碩的電源軌和大量地面澆灌. 如果您設計的是高速/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。任何時候你創建一個PCB布局，你都應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。我將在一篇關于電源EMI的文章中討論這些要點。

• 模擬功率：在這里，我們看到的是通常在數字集成電路中討論的開關變換器。模擬元件呢？他們的電力需求可能大不相同。產生模擬/射頻信號的數字集成電路通常在內部進行。然而，也有專門的LDO（例如NCP161BMX280TBG)或開關調節器（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。上表中的最后一點也很重要，因為純模擬電路的布局風格與數字系統的功率調節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定放大器電路. 這是我喜歡的另一個話題，但我將離開這里，換一篇博客文章。

這個簡單的調節器可以處理2層PCB上的中等功率

利用好PCB設計工具，可以實現我在這里概述的開關電源布局指南。您還將擁有找到調節器IC、大型調節器電路的組件和系統的其他組件所需的工具。對于涉及傳導或輻射EMI的更高級計算，Altium Designer用戶可以使用EDB Exporter extension將其設計導入到Ansys field solvers. 這對場求解器和設計應用程序幫助您在開始原型運行之前驗證布局。