工程師詳解非隔離式開(kāi)關(guān)電源PCB布局設計技巧

圖3b為降壓轉換器中的關(guān)鍵脈沖電流回路提供了一個(gè)布局例子。為了限制電阻壓降和過(guò)孔數量，功率元件都布放在電路板的同一面，功率走線(xiàn)也都布在同一層上。當需要將某根電源線(xiàn)走到其它層時(shí)，要選擇在連續電流路徑中的一根走線(xiàn)。當用過(guò)孔連接大電流回路中的PCB層時(shí)，要使用多個(gè)過(guò)孔，盡量減小阻抗。

圖4顯示的是升壓轉換器中的連續電流回路與脈沖電流回路。此時(shí)，應在靠近MOSFET QB與升壓二極管D的輸出端放置高頻陶瓷電容CHF。

圖5 顯示的是升壓轉換器中的熱回路與寄生PCB電感（a）；為減少熱回路面積而建議采用的布局（b）

圖5是升壓轉換器中脈沖電流回路的一個(gè)布局例子。此時(shí)關(guān)鍵在于盡量減小由開(kāi)關(guān)管QB、整流二極管D和高頻輸出電容CHF形成的回路。圖6提供了一個(gè)同步降壓電路的例子，它強調了去耦電容的重要性。圖6a是一個(gè)雙相12VIN、 2.5VOUT/30A(最大值)的同步降壓電源，使用了LTC3729雙相單VOUT控制器IC，在無(wú)負載時(shí)，開(kāi)關(guān)結點(diǎn)SW1和SW2的波形以及輸出電感電流都是穩定的(圖6b)。但如果負載電流超過(guò)13A，SW1結點(diǎn)的波形就開(kāi)始丟失周期。負載電流更高時(shí)，問(wèn)題會(huì )更惡化(圖6c)。

在各個(gè)通道的輸入端增加兩只1μF的高頻陶瓷電容，就可以解決這個(gè)問(wèn)題，電容隔離開(kāi)了每個(gè)通道的熱回路面積，并使之最小化。即使在高達30A的最大負載電流下，開(kāi)關(guān)波形仍很穩定。高DV/DT開(kāi)關(guān)區

圖2和圖4中，在VIN(或VOUT)與地之間的SW電壓擺幅有高的dv/dt速率。這個(gè)結點(diǎn)上有豐富的高頻噪聲分量，是一個(gè)強大的EMI噪聲源。為了盡量減小開(kāi)關(guān)結點(diǎn)與其它噪聲敏感走線(xiàn)之間的耦合電容，你可能會(huì )讓SW銅箔面積盡可能小。但是，為了傳導大的電感電流，并且為功率MOSFET管提供散熱區，SW結點(diǎn)的PCB區域又不能夠太小。一般建議在開(kāi)關(guān)結點(diǎn)下布放一個(gè)接地銅箔區，提供額外的屏蔽。

如果設計中沒(méi)有用于表面安裝功率MOSFET與電感的散熱器，則銅箔區必須有足夠的散熱面積。對于直流電壓結點(diǎn)(如輸入/輸出電壓與電源地)，合理的方法是讓銅箔區盡可能大。

多過(guò)孔有助于進(jìn)一步降低熱應力。要確定高dv/dt開(kāi)關(guān)結點(diǎn)的合適銅箔區面積，就要在盡量減小dv/dt相關(guān)噪聲與提供良好的MOSFET散熱能力兩者間做一個(gè)設計平衡。

功率焊盤(pán)形式

注意功率元件的焊盤(pán)形式，如低ESR電容、MOSFET、二極管和電感。

對于去耦電容，正負極過(guò)孔應盡量互相靠近，以減少PCB的ESL。這對低ESL電容尤其有效。小容值低ESR的電容通常較貴，不正確的焊盤(pán)形式及不良走線(xiàn)都會(huì )降低它們的性能，從而增加整體成本。通常情況下，合理的焊盤(pán)形式能降低PCB噪聲，減小熱阻，并最大限度降低走線(xiàn)阻抗以及大電流元件的壓降。

大電流功率元件布局時(shí)有一個(gè)常見(jiàn)的誤區，那就是不正確地采用了熱風(fēng)焊盤(pán)(thermal relief)。非必要情況下使用熱風(fēng)焊盤(pán)，會(huì )增加功率元件之間的互連阻抗，從而造成較大的功率損耗，降低小ESR電容的去耦效果。如果在布局時(shí)用過(guò)孔來(lái)傳導大電流，要確保它們有充足的數量，以減少阻抗。此外，不要對這些過(guò)孔使用熱風(fēng)焊盤(pán)。

使控制電路遠離高噪聲的開(kāi)關(guān)銅箔區。對降壓轉換器，好的辦法是將控制電路置于靠近VOUT+端，而對升壓轉換器，控制電路則要靠近VIN+端，讓功率走線(xiàn)承載連續電流。

如果空間允許，控制IC與功率MOSFET及電感(它們都是高噪聲高熱量元件)之間要有小的距離(0.5英寸~1英寸)。如果空間緊張，被迫將控制器置于靠近功率MOSFET與電感的位置，則要特別注意用地層或接地走線(xiàn)，將控制電路與功率元件隔離開(kāi)來(lái)。

控制電路應有一個(gè)不同于功率級地的獨立信號(模擬)地。如果控制器IC上有獨立的SGND(信號地)和PGND(功率地)引腳，則應分別布線(xiàn)。對于集成了MOSFET驅動(dòng)器的控制IC，小信號部分的IC引腳應使用SGND。

信號地與功率地之間只需要一個(gè)連接點(diǎn)。合理方法是使信號地返回到功率地層的一個(gè)干凈點(diǎn)。只在控制器 IC下連接兩種接地走線(xiàn)，就可以實(shí)現兩種地。

控制IC的去耦電容應靠近各自的引腳。為盡量減少連接阻抗，好的方法是將去耦電容直接接到引腳上，而不通過(guò)過(guò)孔。