工程師教您：如何快速創(chuàng )建開(kāi)關(guān)電源的PCB版圖設計

如今的開(kāi)關(guān)穩壓器和電源越來(lái)越緊湊，性能也日益強大，而越來(lái)越高的開(kāi)關(guān)頻率是設計人員面臨的主要問(wèn)題之一，正是它使得PCB的設計越來(lái)越困難。事實(shí)上，PCB版圖已經(jīng)成為區分好與差的開(kāi)關(guān)電源設計的分水嶺。本文針對如何一次性創(chuàng )建優(yōu)秀PCB版圖提出一些建議。

考慮一個(gè)將24V降為3.3V的3A開(kāi)關(guān)穩壓器。設計這樣一個(gè)10W穩壓器初看起來(lái)不會(huì )太困難，設計人員可能很快就可以進(jìn)入實(shí)現階段。不過(guò)，讓我們看看在采用Webench等設計軟件后，實(shí)際會(huì )遇到哪些問(wèn)題。如果我們輸入上述要求，Webench會(huì )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(yōu)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(shí)實(shí)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(lái)降低級與級之間的比率，但通過(guò)兩個(gè)穩壓器實(shí)現的效率不會(huì )更好。

接著(zhù)，我們選PCB面積最小的最高開(kāi)關(guān)頻率。高開(kāi)關(guān)頻率最可能在版圖方面產(chǎn)生問(wèn)題。Webench可以生成帶全部有源和無(wú)源器件的電路圖。圖2所示的簡(jiǎn)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(tài)下的回路標記為紅色;把FET在截至狀態(tài)下的回路標記為綠色。我們可以觀(guān)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(guān)注后一種情況，因此時(shí)電流在零和滿(mǎn)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(xiàn)周?chē)a(chǎn)生顯著(zhù)的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)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(zhù)時(shí)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(yáng)極就是公共通路。當輸出電容器充放電時(shí)，該電容會(huì )產(chǎn)生很高的di/dt。連接輸出電容的所有線(xiàn)段必須滿(mǎn)足兩個(gè)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(diǎn)

實(shí)際上，設計人員不應采用把導線(xiàn)從Vout和地引至電容的方法實(shí)現所謂的傳統版圖。這些導線(xiàn)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(gè)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(xiàn)現在承載的幾乎是恒定電流，因而與di/dt相關(guān)的任何問(wèn)題得到了很好的解決。地是另一個(gè)經(jīng)常被誤解的難題。簡(jiǎn)單地在“第2層”放置一個(gè)地平面，并將全部地線(xiàn)連接到這一層不會(huì )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(gè)24V汽車(chē)電池或一個(gè)24V電源)。在二極管、COUT、CIN和負載的地連接處會(huì )有較大電流，而開(kāi)關(guān)穩壓器的地連接流經(jīng)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(gè)地平面，將出現地線(xiàn)反彈現象。雖然很小，但電路中的敏感點(diǎn)(如借以獲得反饋電壓的電阻分壓器)將不會(huì )有穩定的參考地。這樣，整個(gè)穩壓精度將受到極大影響。實(shí)際上，隱藏在第二層地平面中的源還會(huì )產(chǎn)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(guò)孔，而過(guò)孔是另一個(gè)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(xiàn)的星型節點(diǎn)是個(gè)較好的解決方案。這個(gè)星型節點(diǎn)連接地平面和兩個(gè)小電流地連接(IC和分壓器)。