開關電源和穩壓器的PCB布局指南

2021-05-26

開關電源和穩壓器的PCB布局指南

電源和調節器可以有各種形狀和尺寸。盡管通常將它們討論為不同的產品，但它們在電氣上是等效的，尤其是開關穩壓器。從高級系統角度來看，電源的開關調節器部分和實際的調節器電路在同一框圖內執行相同的功能。

對于電源，這僅是規模問題以及調節器如何與系統中的其他電源轉換模塊集成。電源中的開關穩壓器部分和PCB上的開關穩壓器電路應按照相同的通用準則進行布局，以確保低噪聲運行。

在接下來的部分中，我想簡要地關注電源和穩壓器的不同之處，盡管大多數設計人員已經很清楚了。電源將（或應該）包括電源穩壓器，但穩壓器可以是獨立電路，不屬于所謂的電源。對于電源和帶有板載穩壓器的PCB而言，開關穩壓器的布局將是決定整體系統性能的主要因素。因此，我們將主要在調節器布局方面著眼于一些開關電源的布局準則。

開關電源的系統布局準則

在查看開關電源的調節器部分之前，我們應該首先查看整個系統的高級框圖。如果您正在設計電源設備，則整個設備將具有如下所示的拓撲。這對于從壁裝電源插座獲取交流電的電源尤為重要。

開關電源的高級框圖。

上面的框圖可以在多塊板上實現，盡管通常將所有東西都放在一塊板上，以便為大型變壓器，散熱器，風扇和機械安裝架留出一定的空間，尤其是對于高電壓/電流電源。如果您正在為要插入電源單元的電路板設計一個小型穩壓器，那么無論如何您都將在上述拓撲中工作，您將在輸出穩壓器和新穩壓器之間只有一條地線。同樣，這對于大電流電源來說很常見。

上圖中還有一些要討論的要點：

電流隔離

在上面的框圖中，我們有三個單獨的接地區域，它們與蓋帽綁在一起。不要盲目地遵循使用帽的指導原則：沒有一種PCB接地技術 可以解決每個噪聲源，因此在使用上述帽時應格外小心。如圖所示，這是一種確保所有接地區域均具有恒定接地電位的方法。這是工業以太網系統接地的一種推薦方法。這里的想法是阻止兩個接地部分之間可能產生的任何直流電勢

此處的危險是會產生接地環路和共模噪聲，然后必須對其進行濾波。這樣，將接地線綁在一起基本上就是在擁有金屬機箱的情況下完成的工作，而塑料外殼會使接地線保持隔離。這變得棘手，需要仔細的電路設計和PCB布局才能通過所有EMC測試。

輸出級

不需要在輸出級上進行電流隔離；它取決于DC穩壓器的拓撲（有關示例，請參見反激式轉換器）。通常，在輸出端放置一個傳導EMI濾波器電路或共模扼流圈，以抑制到達負載電路的共模電流。除了這些要點之外，還將使用針對特定穩壓器拓撲的最佳實踐來安排輸出穩壓器級。我將在下面介紹這些關于監管機構布局的更廣泛的想法。

電源設備的輸出級可能不是系統中的最終調節器。取而代之的是可以給另一個穩壓器或一系列穩壓器供電，每個穩壓器將以某個最大電流為一組組件提供設定電壓。同樣，這可以在單個板上或在多個板上完成（一個用于電源，另一個用于調節器級）：

開關電源的配電圖。

上面的功率樹顯示了并聯的調節器（菊花鏈式），但是它們也可以級聯在樹形拓撲中。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下游調節器級將為PDN中的總電流貢獻多少電流。然后，總電流和單個電流將確定向系統中的每個部分輸送足夠電流所需的電源軌或電源平面的大小。

布置每個電路塊

現在，我們可以看到整個系統的體系結構，可以大致了解如何對開關電源和整個系統中的每個電路模塊進行布局，以確保低EMI和安全性。創建PCB布局時，請考慮整個框圖：

分節布局：與具有多個功能塊的其他電路板一樣，請嘗試分節布局電源板?？梢砸跃€性方式從框圖中的輸入到輸出進行此操作。

計劃有反饋的布局：有時，例如在精密大電流調節器中，各部分之間會有一些反饋。使用光耦合器橋接每個部分之間的接地間隙。

遵循接地回路：如果在PCB設計中有通用的準則，則可能是“遵循接地回路”。對于電源而言，這對于確定可產生共模電流的位置以及確保每個電源部分中的低環路電感至關重要。

注意高電流和高電壓軌：高電壓和高電流設計有時會混雜在一起。兩個導體之間的最大電勢差將確定其最小間距，導體所攜帶的電流將確定其所需的寬度以確保低溫

光耦合器是小型IC，可用于跨兩個電隔離的接地區域橋接數據或感測信號。該光耦合器（U4）被用于LLC諧振轉換器中，作為帶有電流檢測放大器的反饋環路的一部分，以精確調整轉換器的開關頻率。

在進行PDN設計部分時，您還應該考慮如何將每個部分接地以及如何將接地綁在一起以提供一致的參考電位。正如我前面提到的，這對于防止EMI非常重要。這應該在開始處理PCB布局之前完成。

電源開關穩壓器布局技巧

為穩壓器選擇組件，創建原理圖并設計接地/配電策略后，就可以開始考慮PCB布局了。開關電源穩壓器的PCB布局全都需要權衡：您需要平衡導體尺寸與電氣間隙要求，但需要使結構緊湊。

我們已在此博客上發布了多篇有關布局特定穩壓器拓撲的指南。下面的列表沒有列出所有這些可能性，而是顯示了一些將在您的系統中應用的廣泛準則。

始終為您的系統實施最小間隙和走線寬度規則。

盡可能縮短用于最直接路由的電壓/電流檢測反饋線。

您可能必須在驅動器和控制器IC周圍聚集一些控制和檢測組件，因此請確保在它們之間建立短連接?？梢詫⑦@些組件聚集在一個狹窄的區域中（請參見下文）。

如果要設計大電流，則考慮使用較厚的銅甚至是金屬芯PCB。

不要害怕使用多邊形作為組件或連接器的安裝墊。直接綁回飛機時要小心，因為您可能需要散熱。

即使穩壓器可以具有很高的效率，但它們仍然會發燙。確保在布局中留出空間以容納IC上的任何散熱器（如果有）。另一種選擇是使用熱界面材料。

開關電源布局的某些部分可能非常緊，并且可能具有更寬的導軌/多邊形。不要害怕使用這些元素來確保您在安全的溫度下運行并創建低電感布局。

開關穩壓器的具體布局指南將取決于拓撲，組件數量，反饋的存在以及接地策略。希望您已經考慮過接地，以防止EMI并提供所需的隔離，然后再開始進行PCB布局。要查看針對您的特定監管機構的一些更具體的準則，請查看以下其他一些資源：

如何設計升壓穩壓器

隔離與非隔離電源：沒有故障的正確選擇

LLC諧振轉換器設計和PCB布局

低噪聲，低EMI穩壓器

我們沒有覆蓋什么？

顯然，在上述用于開關電源和穩壓器電路的布局指南中，有很多要考慮的因素。那還缺少什么呢？在上面的討論中，電源調節和傳輸的一些關鍵方面沒有出現：

PDN阻抗：如果您不設計高速/高頻組件，則可能無需擔心PDN阻抗。只要確保使用肥力的電源軌和大量的地面倒入即可。如果您設計用于高速/高頻，那么低PDN阻抗對于抑制紋波非常重要，通常需要使用大量的去耦電容器和較高的平面間電容來實現。

電源EMI：我在上面已經提到了這一點。無論何時創建PCB布局，都應該考慮確保低EMI，但是在抑制EMI和使EMC測試通過低環路電感布線之外，還有很多事情要做。我將在一篇專門針對電源EMI的文章中討論其中的一些觀點。

模擬電源：在這里，我們正在研究通常在數字IC中討論的開關轉換器。那模擬元件呢？他們的電力需求可能大不相同。發出模擬/ RF信號的數字IC通常會在內部這樣做。但是，有專門的LDO（例如NCP161BMX280TBG）或開關穩壓器（例如LTC3388IMSE-1）。

還有元件選擇的問題，例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。上面列表中的最后一點也很重要，因為純模擬電路的布局風格與數字系統的電源穩壓器或嵌入式電源不同。一旦您在極高的頻率下工作，由于寄生電容（類似于不穩定放大器電路中所見的情況），RF電源問題就更難解決。