開關電源的PCB布局設計方案解析

在開關電源的設計中，PCB布局設計與電路設計同樣重要。合理的布局可以避免電源電路引起的各種問題。不合理的布局可能導致輸出和開關信號疊加引起噪聲增加、調節性能惡化、穩定性欠佳等。采用恰當的布局可以避免這些問題的發生。 ? ?

1.DC-DC的環流

? 圖24-1：開關元件Q1導通時的電流路徑 如圖24-1的紅色線表示開關元件Q1導通時流過的主要電流和路徑以及方向。Cbypass是高頻用去耦電容器，CIN是大容量電容器。開關元件Q1導通的瞬間，流過急劇的電流，其大部分由Cbypass提供，其次由CIN提供，緩慢變化的電流則由輸入電源提供。

? 圖24-2：開關元件Q1關斷時的電流路徑 圖24-2的紅色線表示開關元件Q1關斷時的電流路徑。續流二極管D1導通，電感器L中蓄積的能量會釋放到輸出側。因為降壓轉換器的輸出拓撲結構中串聯了電感，所以輸出電容器的電流雖然上下波動，但比較平滑。

? 圖24-3：電流差分、布局方面的重要路徑 圖24-3的紅色線表示圖24-1和圖24-2的差分。開關元件Q1從關斷到開通，從開通到關斷切換時，紅色線部分的電流都會急劇變化。由于這個變化很快，所以會出現含有較多高次諧波的波形。該差分系統在PCB布局時是重要之處，需要給予最大限度的重視。

? 2.PCB布局要點

PCB布局要點大致如下： 1：將輸入電容器，續流二極管和IC芯片放置在PCB的同一個面上，并盡可能靠近IC芯片放置。 2：為改善散熱條件可以考慮加入散熱過孔陣列。 3：電感可使來自開關節點的輻射噪聲最小化，重要程度僅次于輸入電容，需要放置在IC的附近處，電感布線的銅箔面積不要過大。 4：輸出電容器盡量靠近電感器放置。 5：反饋路徑的布線盡量遠離電感器、續流二極管等噪音源。 3.輸入電容器的布局 設計布局時，首先應放置最重要的部件：輸入電容器和續流二極管。在設計電流較小的電源（Iout≤1A）時，需要的輸入電容也比較小，有時一個陶瓷電容器可以同時作為CIN和Cbypass來使用。這是因為陶瓷電容器的電容值越小，頻率特性越好。但是，由于不同陶瓷電容器的頻率特性不同，使用前確認好實際使用產品的頻率特性。

圖24-4：陶瓷電容的頻率特性

? CIN:1μF 50V X5R 10μF 50V X5R CBY:0.1μF 50V X7R 0.47μF 50V X7R 如圖24-4所示，當使用大容量電容器作為CIN時，一般而言其頻率特性并不好，所以通常需要與CIN并聯配置一顆頻率特性優異的高頻去耦電容器Cbypass，Cbypass通常使用表面貼裝型的疊層陶瓷電容器（MLCC），一般選擇X5R或X7R型，容值為0.1μF～0.47μF的電容。

? 圖24-5：理想的輸入電容器的布局

? 如果Cbypass、IC的VIN引腳與GND引腳的距離較遠，受布線寄生感抗的影響會產生電壓噪聲/振鈴，所以盡量縮短二者之間的布線距離。降壓轉換器的應用中，即使將Cbypass放置在離IC最近的位置，CIN的地上也存在著數百MHz的高頻。因此建議CIN的接地和輸出電容器Cout的接地要距離1cm～2cm進行布局。

? 圖24-6：CBYPASS放在與IC相同面的最近處時

? CIN放置在距離2cm處也不會有太大的問題。

? 圖24-7：將CIN放在IC的背面紋波電壓可能會增大
?

? 圖24-8：不理想的輸入電容布局受過孔和電感的影響噪聲會增加

? 4.續流二極管的布局

二極管D1要放置在與IC同一層且最靠近IC引腳的位置，圖24-9是Cbypass、CIN及二極管D1的理想布局。如果IC引腳到二極管的距離過長，由布線的寄生電感引起的噪音毛刺會疊加到輸出上。續流二極管要使用最短且較寬的布線，直接連接到IC的開關引腳和GND引腳。如果借助過孔和底層連接，受過孔寄生電感的影響，毛刺噪聲將增加，因此續流二極管的布線絕對不能借助過孔。

? 圖24-9：理想的續流二極管布局

? 圖24-10還展示了其他不合理的布局，續流二極管與IC的開關引腳及GND引腳距離較遠，這會導致布線上的寄生電感增加從而導致噪音毛刺變大。為了改善布局不當產生的毛刺噪聲，有時可能會追加RC緩沖電路作為應急處理。

? 圖24-10：不理想的續流二極管布局

? 如圖24-11所示緩沖電路需要放置在IC的開關引腳和GND引腳的近處。即使放置在二極管的兩端，也不能吸收由于布線的寄生電感產生的毛刺噪聲（圖24-12）。

? 圖24-11：理想的緩沖電路布局

? 圖24-12：不理想的緩沖電路布局 ? ? 5.熱焊盤 PCB的銅箔雖然有助于散熱，但因為厚度不夠，超過一定面積就無法得到與面積相當的散熱效果。利用基板散熱是通過基板的板材實現的，使用散熱過孔，能夠有效地將熱傳遞到基板的另一面并大幅降低熱阻。

編輯：黃飛

?