開(kāi)關(guān)穩壓器設計的PCB布局布線(xiàn)

　　開(kāi)關(guān)頻率與開(kāi)關(guān)轉換

　　開(kāi)關(guān)模式電源以一定的開(kāi)關(guān)頻率工作。開(kāi)關(guān)頻率既可以是固定的（例如在PWM型控制中），也可以根據某些因素而變化（例如在PFM或遲滯型控制中）。無(wú)論何種情況，開(kāi)關(guān)模式電源的工作原理，都在于它有一定的開(kāi)啟時(shí)間Ton和一定的關(guān)閉時(shí)間Toff.圖1顯示了一個(gè)50%占空比的典型開(kāi)關(guān)周期。這意味著(zhù)，在完整周期T的50%時(shí)間里，轉換器中有某一電流；在另外50%時(shí)間里，轉換器中有不同的電流。

　當我們考慮系統噪聲時(shí)，實(shí)際的開(kāi)關(guān)頻率（換言之，周期長(cháng)度T）并不是很重要。如果它在系統的敏感信號頻率范圍內，開(kāi)關(guān)頻率或其諧波可能會(huì )影響系統。但一般而言，開(kāi)關(guān)頻率并不是影響系統的最大因素。

　　在開(kāi)關(guān)模式電源中，真正重要的是開(kāi)關(guān)轉換的速度。在圖1的下半部分，我們可以看到開(kāi)關(guān)轉換在時(shí)間標度上的放大圖。在周期T為2us的時(shí)間標度上，對于500kHz PWM開(kāi)關(guān)頻率，轉換看起來(lái)像是一條垂直線(xiàn)，如圖1的上半部分所示。但放大后，如圖1的下半部分所示，我們可以看到，開(kāi)關(guān)轉換通常需要30到90ns的時(shí)間。

　　為什么良好的PCB布局布線(xiàn)非常重要？

　　每2.5cm PCB走線(xiàn)具有大約20nH的走線(xiàn)電感。確切的電感值取決于走線(xiàn)的厚度、寬度和幾何形狀，但根據經(jīng)驗，一般取20nH/2.5cm切實(shí)可行。假設一個(gè)降壓穩壓器提供5A的輸出電流，我們將會(huì )看到電流從0A切換到5A.當開(kāi)關(guān)電流很大且開(kāi)關(guān)轉換時(shí)間很短時(shí)，我們可以利用下面的公式，計算微小的走線(xiàn)電感會(huì )產(chǎn)生多大的電壓偏移：

　　由此可見(jiàn)，僅僅2.5cm的走線(xiàn)電感就能產(chǎn)生相當大的電壓偏移。這種偏移甚至常常導致開(kāi)關(guān)模式電源完全失效。將輸入電容放在離開(kāi)關(guān)穩壓器輸入引腳幾厘米的地方，通常就會(huì )導致開(kāi)關(guān)電源不能工作。在布局布線(xiàn)不當的電路板上，如果開(kāi)關(guān)電源仍能工作，它將產(chǎn)生非常大的電磁干擾（EMI）。

　　在上面的公式中，我們唯一能改變的參數是走線(xiàn)電感。我們可以使走線(xiàn)盡可能短，從而降低走線(xiàn)電感。較厚的銅線(xiàn)也有助于降低電感。由于負載所需的功率固定，因此我們無(wú)法改變電流參數。對于轉換時(shí)間而言，我們可以改變，但一般不想改變。減慢轉換時(shí)間可以降低產(chǎn)生的電壓偏移，從而降低EMI,但是開(kāi)關(guān)損耗卻會(huì )提高，我們將不得不以較低的開(kāi)關(guān)頻率并利用昂貴而龐大的電源器件工作。

　　找到交流電流走線(xiàn)

　　在開(kāi)關(guān)模式電源的PCB布局布線(xiàn)中，最重要的準則是以某種方式使交流走線(xiàn)盡可能短。如果能認真遵守這一準則，良好的電路板布局布線(xiàn)可以說(shuō)已經(jīng)成功了80%.為了找到這些在很短的時(shí)間（轉換時(shí)間）內將電流從"滿(mǎn)電流"變?yōu)?無(wú)電流"的交流走線(xiàn)，我們將原理圖繪制了三次。如圖2所示，它是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓型開(kāi)關(guān)模式電源。在頂部的原理圖中，我們用虛線(xiàn)畫(huà)出了開(kāi)啟時(shí)間內電流的流動(dòng)。在中間的原理圖中，我們用虛線(xiàn)畫(huà)出了關(guān)閉時(shí)間內電流的流動(dòng)。底部的原理圖特別值得注意。這里，我們畫(huà)出了電流從開(kāi)啟時(shí)間變?yōu)殛P(guān)閉時(shí)間的所有走線(xiàn)。

　　圖2底部原理圖中的這些走線(xiàn)是交流走線(xiàn)，必須使其盡可能短，以降低寄生電感。

通過(guò)這種方法，我們可以輕松找到任何開(kāi)關(guān)模式電源拓撲結構的交流電流走線(xiàn)。

　　在評估現有的電路板布局布線(xiàn)時(shí)，一個(gè)好的辦法是將其打印在紙上，并放上一張透明的塑料板，然后用不同顏色的筆，畫(huà)出開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間內的電流流向及相應的交流走線(xiàn)。雖然我們傾向于認為，能夠在頭腦中完成這一相對簡(jiǎn)單的工作，但在思維過(guò)程中，我們常常會(huì )犯一些小錯誤，因此，強烈建議在紙上繪出走線(xiàn)。

　　實(shí)現良好的PCB布局布線(xiàn)

　　圖2顯示了降壓穩壓器的交流走線(xiàn)。必須注意，某些接地走線(xiàn)也是交流走線(xiàn)，同樣需要保持盡可能短。此外，對于這些交流電流路徑，建議不要使用任何過(guò)孔，因為過(guò)孔的電感也相當高。對于這一規則，僅有非常少的例外情況。如果交流路徑不使用過(guò)孔，將實(shí)際導致比過(guò)孔本身更大的走線(xiàn)電感，那么建議使用過(guò)孔。多個(gè)過(guò)孔并聯(lián)優(yōu)于僅使用單個(gè)過(guò)孔。

　　圖3所示為采用ADI公司ADP2300降壓穩壓器的電路板的布局布線(xiàn)示例。我們檢查一下，圖中的交流走線(xiàn)是否是按絕對最短的路徑布設。圖2用字母A、B、C表示了交流電流連接。

　圖3中的連接A是按照盡可能短的路徑布設，因為C2的高側連接能夠以最短的走線(xiàn)連接到開(kāi)關(guān)MOSFET（ADP2300的引腳5,即Vin引腳）。

　　連接B是引腳6（SW引腳）與二極管D1的陰極側之間的走線(xiàn)。在圖3中，我們同樣看到該走線(xiàn)盡可能短，以降低走線(xiàn)電感。

　　連接C是二極管D1的陽(yáng)極與C2的接地連接之間的走線(xiàn)。這兩個(gè)器件的焊盤(pán)彼此相鄰，具有最低的走線(xiàn)電感。此外，這也有利于該交流電流不經(jīng)過(guò)安靜的接地層。接地層應僅用作基準電壓，最好沒(méi)有電流（特別是沒(méi)有交流電流）流過(guò)接地層。C2旁邊的過(guò)孔將PCB頂層的接地區域連接到底層的地，但沒(méi)有交流電流流經(jīng)這些過(guò)孔。

　　電感的特殊考慮

　　在EMI方面，我們也必須考慮電感。實(shí)際器件并不像許多人認為的那樣對稱(chēng)。電感有一個(gè)磁芯，磁芯周?chē)@著(zhù)電線(xiàn)。繞組總有一個(gè)起始端和一個(gè)結束端。起始端連接到電感的內繞組，結束端從電感的外繞組接出。圖4所示為典型的鼓式電感的示意圖。繞組的起始端通常在器件上標有一個(gè)圓點(diǎn)。將起始端連接到高噪聲開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，將結束端連接到安靜的電壓非常重要。對于降壓穩壓器，安靜的電壓就是輸出電壓。這樣，外繞組上的固定電壓，可以在電氣上屏蔽內繞組上的交流開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓，從而電源的EMI將會(huì )較低。

圖4:電感的繞組起始端和結束端

　順便提一下，所謂的屏蔽電感也是如此。具有一定磁導率的屏蔽電感的外部，確實(shí)使用了某種屏蔽材料，該材料會(huì )收緊封裝側的大部分磁力線(xiàn)。然而，這種材料只能抑制磁場(chǎng)，而不能抑制電場(chǎng)。外繞組上的交流電壓主要是電氣或容性耦合引起的問(wèn)題，屏蔽電感的屏蔽材料沒(méi)有抑制此類(lèi)耦合。因此，屏蔽電感也應放在電路板上，以便將高噪聲開(kāi)關(guān)節點(diǎn)連接到繞組起始端，從而將EMI降到最低。

　　開(kāi)關(guān)模式電源良好電路板布局布線(xiàn)的基礎

　　工程課程一般不會(huì )教授如何實(shí)現良好的電路板布局布線(xiàn)。高頻RF類(lèi)課程會(huì )研究走線(xiàn)阻抗的重要性，但需要自行構建系統電源的工程師，通常不會(huì )將電源視為高頻系統，而忽視了電路板布局布線(xiàn)的重要性。電路板布局布線(xiàn)不當引起的大多數問(wèn)題，都可以歸結為未控制交流電流走線(xiàn)盡可能短并且緊湊。了解本文所述電路板布局布線(xiàn)準則背后的理由并嚴格遵守，將能夠把開(kāi)關(guān)模式電源的任何PCB相關(guān)問(wèn)題降到最小。