開(kāi)關(guān)型調節器的電路板布局技術(shù)

摘要：本文介紹了開(kāi)關(guān)型調節器的電路板布局的基本原則。盡管本文集中分析的是升壓型開(kāi)關(guān)型調節器，但它所包含的原理同樣適合其它類(lèi)型的開(kāi)關(guān)調節器。本文討論了接地方法、元器件布局、降低噪聲輻射以及減少寄生電容和電感的重要性。

當考慮怎樣才能最好地為開(kāi)關(guān)電源設計電路板時(shí)，最好首先考慮一下它的最終目的，即提供一個(gè)特定數值的穩定電壓。有經(jīng)驗的設計人員會(huì )謹慎考慮電路的接地方法，從而獲得穩定的電壓。他們知道很難獲得完美的接地方案—因為這不僅僅是接地問(wèn)題，任何接地工作都會(huì )直接影響到電路的性能，設計人員還要特別注意各種穩壓元件的位置。

接地讓沒(méi)有經(jīng)驗的工程師簡(jiǎn)單地畫(huà)三條短線(xiàn)表示接地可能是一個(gè)誤區，這個(gè)符號會(huì )給初學(xué)者一種錯覺(jué)，簡(jiǎn)單認為接地是一種理想情況。如果用一條較長(cháng)的引線(xiàn)把電路的各種元器件連接到電源或電池的負端，您可能從直覺(jué)上意識到這條地線(xiàn)并非理想的接地。這條引線(xiàn)表明電流通過(guò)地層或地線(xiàn)的電阻、電感流回電源，在這個(gè)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生相應的壓降。因此，接地回路不會(huì )穩定在一個(gè)理想的穩壓值—即通常所說(shuō)的0V。

圖1所示boost轉換器說(shuō)明了考慮接地的重要性，該調節器依靠控制器IC內部的基準電壓和兩個(gè)反饋電阻產(chǎn)生特定的輸出電壓。為了獲得正確的反饋從而得到正確的輸出電壓，電壓基準、電阻分壓器以及輸出電容必須處于同一電位。確切地說(shuō)，控制器的模擬地引腳(電壓基準的地)和電阻分壓器的地電位必須與輸出電容的地電位相等。輸出電容接地端的電壓至關(guān)重要，因為要求穩壓器提供精確電壓的負載通常緊靠著(zhù)輸出電容安裝—這部分地是反饋電壓的參考端。

圖1. 升壓型開(kāi)關(guān)轉換器的電路板布局設計原則同樣適用于其它拓撲的開(kāi)關(guān)型調節器

另一原因是控制器需要精確的電壓反饋，為了實(shí)現無(wú)抖動(dòng)的開(kāi)關(guān)操作，控制器需要在輸出電壓出現任何交流干擾時(shí)能夠產(chǎn)生一個(gè)準確的取樣，而這個(gè)精確的取樣是通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò )得到的。

元件布局除了接地方案，合理的布局穩壓元件也很重要。例如，控制器內部的電壓基準必須通過(guò)緊靠REF引腳安裝的電容旁路;基準電壓的噪聲會(huì )直接影響輸出電壓。同樣，該旁路電容的地端必須連接到低噪聲的參考地(與控制器的模擬地以及電阻分壓器的地端相連)，遠離嘈雜的功率地。這個(gè)低噪聲參考地和嘈雜的功率地之間的隔離至關(guān)重要。

既然嘈雜的功率地和低噪聲參考地最終還是要連接到一起，為何還必須將二者隔離呢? 為了防止較大的開(kāi)關(guān)電流通過(guò)模擬小信號的地回路進(jìn)入電池或電源，這樣的隔離是必需的。一旦出現這種狀況，敏感信號的地回路遭到干擾;較大的開(kāi)關(guān)電流流經(jīng)地回路的電阻、電感，使地回路的電平沿著(zhù)路徑發(fā)生變化。

了解嘈雜的功率電路有助于找尋將它與其余電路隔離開(kāi)的最佳方法。圖2描述了調節器的功率電路，包括兩條電流路徑：當MOSFET導通時(shí)，電流流過(guò)輸入回路;當MOSFET斷開(kāi)時(shí)，電流流過(guò)輸出回路。將這兩個(gè)環(huán)路的元件相互靠近布局，可以把大電流限制在調節器的功率電路部分(遠離低噪聲元件的地回路)。CIN、L1和Q1必須相互靠近放置，CIN、L1、D1和COUT也必須相互靠近。圖2特別指明了這兩個(gè)環(huán)路以及需要靠近安裝的元件。

圖2. 在為本圖所示的兩個(gè)電流環(huán)路的元件布板時(shí)，需要特別謹慎。使用短且寬的引線(xiàn)實(shí)現如此密集的布線(xiàn)，可以提高效率，減小振鈴，并可避免干擾低噪電路。

實(shí)際的電路板布局需要一些折中考慮，特別是在為上述兩個(gè)大電流環(huán)路布局時(shí)。如果需要決定將哪些需要就近安裝的元件真正地實(shí)現就近安裝，擇須確定每個(gè)環(huán)路中的哪些元件有不連續的電流流過(guò)。就近安裝元件可以最大限度地減少寄生電感，而這些具有不連續電流的元件位置對于減少寄生電感非常重要。請參考將寄生電容和寄生電感減至最小。

其它考慮事項不管是采用電池還是電源為升壓型開(kāi)關(guān)調節器供電，電源阻抗都不為零。這意味著(zhù)當調節器從電源汲取快速變化的電流時(shí)，電源的電壓將發(fā)生變化。為了改善這種效應，電路設計人員在靠近上述兩個(gè)功率環(huán)路的位置安裝了輸入旁路電容(有時(shí)使用兩個(gè)電容：一個(gè)陶瓷電容與一個(gè)有極性電容并聯(lián))。這一舉措并非為了保持功率電路的電源穩定—即使電源電壓發(fā)生變化，功率電路也能很好工作。然而，將旁路電容靠近功率電路安裝可以限制大電流注入功率電路，避免對低噪電路的干擾。