開關穩壓器布局：一層還是兩層？

2022-04-12

開關穩壓器布局：一層還是兩層？

看看PCB上典型的開關穩壓器布局；通常，出于多種原因，所有內容都放在一個層上。有時，例如在低功耗場景中，電路只是物理上很小，因此實際上不需要使用兩層來節省空間。對于較大的開關穩壓器，組件的物理尺寸較大意味著放置在兩層上理論上可能會節省一些空間，但由于安裝限制，這使得放置在外殼內變得更加困難。

如果您有一個中等尺寸的開關穩壓器，可能有一些分立器件和一些 MOSFET，您可以靈活地將所有東西放在兩層上，因為您通常沒有大型機械部件（散熱器或風扇）或高帽/電感器。您應該將所有內容放在單層還是兩層上，對性能有何影響？

事實證明，兩層布局的主要影響在于寄生效應和噪聲耦合。您可能會使設計更小，并且可能具有更低的輻射/接收EMI，但如果布局不當，您可能會與附近的互連產生強耦合。讓我們更深入地了解一下噪聲從哪里開始產生問題以及有哪些解決方案可以防止噪聲耦合。

一層和兩層開關穩壓器中的噪聲

所有開關穩壓器都會在其dV/dt 節點和 dI/dt 環路上產生噪聲。對于更復雜的拓撲，例如半橋/全橋拓撲，開關節點可以在設計中的不同位置之間移動，具體取決于開關FET之間的相位差。如果電路板中有一個PFC電路并且它在臨界導通模式下運行，那么它將在其高端和低端開關節點處進行深度調制以產生高 dV/dt 尖峰。無論如何，dV/dt 節點將確定 dI/dt 回路的位置。這些將共同決定噪聲如何在設計周圍耦合。

下面的示例降壓轉換器電路圖顯示了這些節點存在的位置。可以為升壓轉換器或隔離拓撲繪制類似的圖表。開關節點和脈動電流回路如圖所示；這些是電路輻射最大噪聲的點。

基本降壓轉換器電路，當Q1開啟或關閉時指示電流方向。

這種類型的電路可以使用柵極驅動器進行布局，以生成PWM脈沖并調制Q1。更高級的橋接或諧振拓撲基本上會做同樣的事情，但電流回路和 dV/dt 節點可能會根據拓撲在不同點之間交換。

在確定放置組件的位置（單面與雙面PCB布局）時，您將平衡穩壓器占用的面積與穩壓器可以耦合到其他電路的開關噪聲。要了解每種樣式的一些優點，讓我們看一些示例。

單層PCB布局示例

在本例中，我將研究可提供高達2 A電流的降壓穩壓器IC。該電路使用帶有電阻分壓器的反饋環路來檢測輸出電壓并調整一次性定時器以觸發內部MOSFET，從而產生開關。因此，輸出dI/dt環路將跨越IC管芯上的接地層，并且需要在其下方有均勻的接地。

示例降壓轉換器原理圖。

將此電路轉移到布局時，我們有兩個目標：

防止來自SW_OUT的dV/dt噪聲通過寄生電容到達反饋回路。

確保dI/dt環路盡可能小，使其不會產生強烈輻射。

下面顯示了在PCB上布置這種小型開關穩壓器的典型方法示例。我已經粗略地追蹤了電路板上開關電流的路徑，以便我們可以看到設計容易受到輻射的位置。堆疊使用 4 層。在這個設計中，我們有一條從R1回到U1（第 2 層上的走線）的反饋線，以及大銅開關節點 (SW_OUT)。

示例降壓轉換器布局，電流路徑從電感器L1追溯到穩壓器IC U1。

反饋跡線可能容易受到一些噪聲耦合的影響，這在此應用中非常重要。該線路用于確定何時需要復位內部單次定時器，以便在下一個開關周期觸發內部MOSFET。因此，您希望避免強烈的噪音。在此示例中，將其放置在第2層并用地線將其包圍是確保低電感的好策略?？梢酝ㄟ^三種方式使這條跡線免受來自L1的開關噪聲的影響：

將其保留在第2層，并使其遠離L1和SW_OUT

將它放在第1層，用一些覆銅包圍它，并用精心設計的開關過孔對其進行屏蔽

將走線放在背層，使其完全被GND屏蔽

如果我們想使用#3，我們不妨將輸出上限也放在后面的層上！讓我們看看這是什么樣子。

小心使用兩層穩壓器電路

在輸出側具有電流回路的兩層電路對于兩層布局很有吸引力。由于調節器中LC部分的布置，這種布置有時被稱為翻蓋式設計。您可能選擇這種類型的布線的主要原因是控制寄生效應，從而使您能夠控制開關噪聲與其他電路的耦合。如果您要布置可能靠近其他電路的小型電源調節器，這是非常可取的。

我們修改后的兩層電路如下所示（重點是第 1 層）。我在頂層留下了 U1、C5 和 L1；所有較小的無源器件都在底層。如果要將此板放入帶有小支架的外殼中，那么兩層上的笨重組件不會有任何問題。與以前的布局相比，我們還能夠使電路板更小。

修改了兩層的降壓轉換器布局。

底層如下圖所示。通過將無源器件移至底層，我們收緊了反饋環路，使其電感更低，并且通過第2層和第3層的接地完全與 L1 屏蔽。另一個好處是SW_OUT；它也完全不受反饋回路的影響。

我們修改后的降壓轉換器布局的底層。

這種布局的缺點是沿電路板表面產生磁場，因此我們無法沿PCB的頂部和底部邊緣路由任何數據信號。將后層用于反饋走線的另一個原因是需要在R1和R2上建立開爾文連接?；旧?，作為反饋回路的一部分，您希望盡可能消除R1和R2上的接觸電阻。因此，您最好在反饋回路中選擇物理上更大的電阻器和更寬的走線。將這些電阻器和反饋走線放置在背面層可以讓您自由地執行此操作。

擴大

如果您了解單個功率MOSFET的這些原理，那么您可以將其擴展到具有兩個MOSFET的同步轉換器，或者更先進的橋式轉換器、諧振轉換器或多相轉換器。這些布局更加復雜，因為在PCB布局中噪聲可以耦合到其他電路的位置更多。但是，如果您要設計更高級的電源拓撲，遵循上述噪聲耦合原則將有助于確保您取得成功。