开关电源的PCB布局设计方案解析

在开关电源的设计中，PCB布局设计与电路设计同样重要。合理的布局可以避免电源电路引起的各种问题。不合理的布局可能导致输出和开关信号叠加引起噪声增加、调节性能恶化、稳定性欠佳等。采用恰当的布局可以避免这些问题的发生。    

1.DC-DC的环流

  图24-1：开关元件Q1导通时的电流路径 如图24-1的红色线表示开关元件Q1导通时流过的主要电流和路径以及方向。Cbypass是高频用去耦电容器，CIN是大容量电容器。开关元件Q1导通的瞬间，流过急剧的电流，其大部分由Cbypass提供，其次由CIN提供，缓慢变化的电流则由输入电源提供。

  图24-2：开关元件Q1关断时的电流路径 图24-2的红色线表示开关元件Q1关断时的电流路径。续流二极管D1导通，电感器L中蓄积的能量会释放到输出侧。因为降压转换器的输出拓扑结构中串联了电感，所以输出电容器的电流虽然上下波动，但比较平滑。

  图24-3：电流差分、布局方面的重要路径 图24-3的红色线表示图24-1和图24-2的差分。开关元件Q1从关断到开通，从开通到关断切换时，红色线部分的电流都会急剧变化。由于这个变化很快，所以会出现含有较多高次谐波的波形。该差分系统在PCB布局时是重要之处，需要给予最大限度的重视。

  2.PCB布局要点

PCB布局要点大致如下： 1：将输入电容器，续流二极管和IC芯片放置在PCB的同一个面上，并尽可能靠近IC芯片放置。 2：为改善散热条件可以考虑加入散热过孔阵列。 3：电感可使来自开关节点的辐射噪声最小化，重要程度仅次于输入电容，需要放置在IC的附近处，电感布线的铜箔面积不要过大。 4：输出电容器尽量靠近电感器放置。 5：反馈路径的布线尽量远离电感器、续流二极管等噪音源。 3.输入电容器的布局 设计布局时，首先应放置最重要的部件：输入电容器和续流二极管。在设计电流较小的电源（Iout≤1A）时，需要的输入电容也比较小，有时一个陶瓷电容器可以同时作为CIN和Cbypass来使用。这是因为陶瓷电容器的电容值越小，频率特性越好。但是，由于不同陶瓷电容器的频率特性不同，使用前确认好实际使用产品的频率特性。

图24-4：陶瓷电容的频率特性

  CIN:1µF 50V X5R 10µF 50V X5R CBY:0.1µF 50V X7R 0.47µF 50V X7R 如图24-4所示，当使用大容量电容器作为CIN时，一般而言其频率特性并不好，所以通常需要与CIN并联配置一颗频率特性优异的高频去耦电容器Cbypass，Cbypass通常使用表面贴装型的叠层陶瓷电容器（MLCC），一般选择X5R或X7R型，容值为0.1μF～0.47μF的电容。

  图24-5：理想的输入电容器的布局

  如果Cbypass、IC的VIN引脚与GND引脚的距离较远，受布线寄生感抗的影响会产生电压噪声/振铃，所以尽量缩短二者之间的布线距离。降压转换器的应用中，即使将Cbypass放置在离IC最近的位置，CIN的地上也存在着数百MHz的高频。因此建议CIN的接地和输出电容器Cout的接地要距离1cm～2cm进行布局。

  图24-6：CBYPASS放在与IC相同面的最近处时

  CIN放置在距离2cm处也不会有太大的问题。

  图24-7：将CIN放在IC的背面纹波电压可能会增大
 

  图24-8：不理想的输入电容布局受过孔和电感的影响噪声会增加

  4.续流二极管的布局

二极管D1要放置在与IC同一层且最靠近IC引脚的位置，图24-9是Cbypass、CIN及二极管D1的理想布局。如果IC引脚到二极管的距离过长，由布线的寄生电感引起的噪音毛刺会叠加到输出上。续流二极管要使用最短且较宽的布线，直接连接到IC的开关引脚和GND引脚。如果借助过孔和底层连接，受过孔寄生电感的影响，毛刺噪声将增加，因此续流二极管的布线绝对不能借助过孔。

  图24-9：理想的续流二极管布局

  图24-10还展示了其他不合理的布局，续流二极管与IC的开关引脚及GND引脚距离较远，这会导致布线上的寄生电感增加从而导致噪音毛刺变大。为了改善布局不当产生的毛刺噪声，有时可能会追加RC缓冲电路作为应急处理。

  图24-10：不理想的续流二极管布局

  如图24-11所示缓冲电路需要放置在IC的开关引脚和GND引脚的近处。即使放置在二极管的两端，也不能吸收由于布线的寄生电感产生的毛刺噪声（图24-12）。

  图24-11：理想的缓冲电路布局

  图24-12：不理想的缓冲电路布局     5.热焊盘 PCB的铜箔虽然有助于散热，但因为厚度不够，超过一定面积就无法得到与面积相当的散热效果。利用基板散热是通过基板的板材实现的，使用散热过孔，能够有效地将热传递到基板的另一面并大幅降低热阻。

编辑：黄飞