開(kāi)關(guān)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(chǎn)品，但它們在電氣上是等效的，特別是開(kāi)關(guān)調節器。從高級系統的角度來(lái)看，電源中的開(kāi)關(guān)調節器部分和實(shí)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(lái)說(shuō)，這只是一個(gè)規模問(wèn)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(kāi)關(guān)調節器部分和印刷電路板上的開(kāi)關(guān)調節器電路應按照相同的一般指導原則進(jìn)行布置，以確保低噪聲運行。

在接下來(lái)的章節中，我想簡(jiǎn)單地關(guān)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(lái)說(shuō)應該已經(jīng)很清楚了。一個(gè)電源將（或應該）包括一個(gè)功率調節器，但是調節器可以是一個(gè)獨立的電路，它不是我們所說(shuō)的電源的一部分。對于電源和帶有板載調節器的PCB，開(kāi)關(guān)調節器布局將是整個(gè)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(lái)看開(kāi)關(guān)電源的一些布局指南。

在研究開(kāi)關(guān)電源的調節器部分之前，我們應該先看一下整個(gè)系統的高層框圖。如果您正在設計一個(gè)電源單元，那么整個(gè)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(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤為重要。

開(kāi)關(guān)電源的框圖

上面的方塊圖可以在多塊板上實(shí)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(fēng)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(gè)小型穩壓器，那么你無(wú)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(gè)接地連接。同樣，這在大電流電源中很常見(jiàn)。

在上圖中還有一些其他要點(diǎn)需要討論：

在上面的方塊圖中，我們有三個(gè)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(méi)有單塊PCB接地技術(shù)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(shuō)明一種確保所有地面區域的地電位一致的方法；這是工業(yè)以太網(wǎng)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(gè)接地部分之間產(chǎn)生的直流電位

這里的危險是產(chǎn)生接地回路和共模噪聲，然后必須對其進(jìn)行過(guò)濾。用這種方式將接地連接在一起基本上就是當你有一個(gè)金屬底盤(pán)時(shí)所做的，而塑料外殼會(huì )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(lái)保持通過(guò)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(gè)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(shí)踐進(jìn)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(gè)調節器或一系列調節器供電，每一個(gè)調節器都將在某個(gè)最大電流下為一組元件提供一個(gè)設定電壓。同樣，這可以在一個(gè)單板或多個(gè)板上完成（一個(gè)用于電源，另一個(gè)用于調節器級）：

開(kāi)關(guān)電源的配電圖

上面的電源樹(shù)顯示了并聯(lián)的調節器（菊花鏈），但這些也可以級聯(lián)在樹(shù)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(gè)下游調節器級將貢獻給PDN中總電流的電流?？傠娏骱蛦蝹€(gè)電流將決定為系統中的每個(gè)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(gè)系統的架構，我們可以了解如何布置開(kāi)關(guān)電源中的每個(gè)電路塊和整個(gè)系統，以確保低電磁干擾和安全性。在創(chuàng )建PCB布局時(shí)，請考慮整個(gè)框圖：

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

• 規劃布局并提供反饋：有時(shí)，例如在精密大電流穩壓器中，您會(huì )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(chǎn)生的位置和確保每個(gè)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(shí)是混合的。兩個(gè)導體之間的最大電位差將決定它們的最小間距（見(jiàn)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(jiàn)IPC-2152）。

z

光耦是一種小型集成電路，可以用來(lái)橋接兩個(gè)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(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行精確調整。

在完成PDN設計部分時(shí)，您還應該考慮每個(gè)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(kāi)始工作PCB布局之前完成。

一旦您為調節器選擇了元件，創(chuàng )建了原理圖，并設計了接地/配電策略，您就可以開(kāi)始考慮PCB布局。開(kāi)關(guān)電源調節器的PCB布局是關(guān)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(jīng)在這個(gè)博客上發(fā)布了多個(gè)關(guān)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(jìn)行分析。

1. 始終為您的系統實(shí)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(xiàn)保持短，盡可能采用最直接的布線(xiàn)方式。

3. 你可能需要在你的驅動(dòng)和控制器IC周?chē)奂恍┛刂坪透兄M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(gè)狹小的區域是可以的（見(jiàn)下文）。

4. 如果你是為大電流設計的話(huà)，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(huà)，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(gè)選擇是使用熱界面材料。

開(kāi)關(guān)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(chuàng )建一個(gè)低電感布局。

開(kāi)關(guān)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(jīng)考慮過(guò)接地以防止電磁干擾，并在開(kāi)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(kāi)關(guān)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(gè)關(guān)鍵方面并未出現：

• PDN阻抗：如果你沒(méi)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(guò)大量的去耦電容和高行間電容 .

• 電源EMI：我在上面提到過(guò)這個(gè)。任何時(shí)候你創(chuàng )建一個(gè)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(xiàn)之外，抑制電磁干擾和通過(guò)電磁兼容測試還有很多工作要做。我將在一篇關(guān)于電源EMI的文章中討論這些要點(diǎn)。

• 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(kāi)關(guān)變換器。模擬元件呢？他們的電力需求可能大不相同。產(chǎn)生模擬/射頻信號的數字集成電路通常在內部進(jìn)行。然而，也有專(zhuān)門(mén)的LDO（例如NCP161BMX280TBG)或開(kāi)關(guān)調節器（例如 LTC3388IMSE-1型 ).

另外還有元件選擇的問(wèn)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(diǎn)也很重要，因為純模擬電路的布局風(fēng)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(wèn)題就更難解決，這與中所見(jiàn)類(lèi)似不穩定放大器電路. 這是我喜歡的另一個(gè)話(huà)題，但我將離開(kāi)這里，換一篇博客文章。

這個(gè)簡(jiǎn)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(shí)現我在這里概述的開(kāi)關(guān)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(hù)可以使用EDB Exporter extension將其設計導入到Ansys field solvers. 這對場(chǎng)求解器和設計應用程序幫助您在開(kāi)始原型運行之前驗證布局。