如何减小PCB设计中开关电源的地弹

电路接地在电路原理图中看起来很简单；但是，电路的实际性能是由其印制电路板（PCB）布局决定的。而且，接地节点的分析很困难，特别是对于DC/DC变换器，例如降压型和升压型变换器，这些电路的接地节点会聚快速变化的大电流。当接地节点移动时，系统性能会遭受影响并且该系统会辐射电磁干扰（EMI）。但是如果很好地理解“接地“引起的接地噪声的物理本质可提供一种减小接地噪声问题的直观认识。

接地反弹（Groundbounce）简称地弹会产生幅度为几伏的瞬态电压；最常见的是由磁通量变化引起的。传输电流的导线环路实际上构成了一个磁场，其磁场强度与电流成正比。磁通量与穿过环路面积和磁场强度乘积成正比。

磁通量∝磁场强度×环路面积

更精确的表示是，ΦB =BA cosφ

其中磁通量ΦB等于磁场强度B乘以穿过环路平面A和磁场方向与环路平面单位矢量夹角φ的余弦。

图1示出了磁通量与电流之间的关系。一个电压源驱动电流克服电阻沿导线环路流动。电流与环绕导线的磁通量相关联。为了将不同的物理量联系起来，可以考虑用你的右手握住导线（应用右手定则）。如果你的拇指指向电流的方向，那么你的其它手指将沿磁场磁力线方向环绕导线。因为那些磁力线穿过环路，所以形成了磁通量，在本例中磁通量方向为穿入页面。

改变磁场强度或环路面积都会引起磁通量变化。当磁通量变化时，在导线中产生与磁通量变化率dΦ B /d t成正比的电压。应该注意的是，当环路面积固定，电流变化；或者电流恒定，环路面积变化；或者两种情况同时变化——都会改变磁通量。

例如，假设图2中的开关突然断开。当电流停止流动时，磁通量消失，这会沿导线各处产生一个瞬态大电压。如果导线的一部分是一个接地返回引脚，那么以地电平为参考端的电压会产生一个尖峰，从而在任何使用该引脚为接地参考端的电路中都会产生错误信号。

通常，PCB印制线电阻上的电压降不是接地反弹的主要来源。1 盎司（oz）铜的电阻为500 微欧/方数（µΩ/□），因此1 A电流变化只能产生500 µV/□的反弹电压——问题只存在于采用细长印制线或菊花链式接地或精密电子电路。

寄生电容器的充电和放电为瞬态大电流返回到地提供了一条路径。由于电流变化引起的磁通量变化也引起接地反弹。

在DC/DC开关电源中减少接地反弹的最好方法就是控制磁通量变化——使电流环路面积和环路面积变化最小。

在某些情况下，例如图3所示，电流保持恒定，而开关切换引起环路面积变化，因此产生磁通量的变化。在开关状态1中，一个理想的电压源通过理想导线与一个理想电流源相连。电流在一个包含接地回路的环路中流动。

在开关状态2中，当开关改变位置时，同样的电流在不同的路径中流动。电流源为直流（DC），且并没有变化，但环路面子发生了变化。环路面积的变化意味着磁通量的变化，所以产生了电压。因为接地回路为变化环路的一部分，所以它会产生反弹电压。

降压型变换器的接地反弹

为了讨论方便，将图3中的简单电路变换成与其类似的电路——图4中的降压型变换器。

图5示出当开关在两个位置之间交替切换时磁通量如何变化。

大电感器L BUCK 使输出电流大约保持恒定。类似地，大电容器C VIN 保持电压大约等于V IN 。由于输入引线电感两端的电压不变，所以输入电流也大约保持恒定。

尽管输入电流和输出电流基本不变，但当开关从位置1切换到位置2时，总环路面积会迅速变为原来的一半。环路面积的变化意味着磁通量的快速变化，从而沿着接地回路引起接地反弹。

实际上，降压型变换器由一对半导体开关构成，如图6所示。

虽然每个图中的复杂程度增加，但是通过磁通量变化引起接地反弹的分析方法仍然很简单和直观。

事实上，磁通量的变化会沿着接地回路各处都产生电压，这就带来了一个有趣的问题：哪里是真正的地？因为接地反弹意味着，相对于称作地的某个理想点（那一点需要定义），在接地返回印制线上产生一个反弹电压。

在电源稳压器电路中，真实的地应该连接在负载的低压端。毕竟，DC/DC变换器的目的是为负载提供稳定的电压和电流。电流回路上的其它所有点都不是真正的地，只是接地回路的一部份。

由于在负载的低压端接地并且环路面积的变化是接地反弹的原因，图7显示了如何精心地放置CVIN 通过减小环路面积变化的比率降低接地反弹。

电容器C VIN 旁路PCB顶层的高端开关直接到达底层低端开关两端，因此减小了环路面积的变化，将其与接地回路隔离。当开关从一种状态切换到另一种状态时，从V IN 的底部到负载的底部，无环路面积变化或开关电流变化。因此接地回路没有发生反弹。

实际上，PCB布线本身决定了电路的性能。图8为图6中降压型变换器电路原理图的PCB布线图。当开关处于状态1所示的位置，高端开关闭合，DC电流沿着外圈红色环路流动。当开关处于状态2所示的位置，低端开关闭合，DC电流沿着蓝色环路流动。注意由于环路面积变化引起磁通量变化。因此产生电压和接地反弹。

为了清晰起见，在单层PCB上实现布线，但即使使用第二层整块接地平面也无法解决接地反弹问题。在展示改进布线图之前，图9给出了一个简单例子说明地平面无法解决问题。

这里，我们采用双层PCB以便在与顶层电源线垂直处附加一个旁路电容。在左边的例子中，地平面是整体的并且未切割。顶层印制线电流通过电容器流过，穿过过孔，到达地平面。

因为交流(AC)电总是沿着最小阻抗路径流动，接地返回电流绕着其路径拐角返回电源。所以当电流的幅度或频率发生变化时，电流的磁场及其环路面积发生变化，从而改变磁通量。电流沿最小阻抗路径流动的规律意味着，即使采用整体地平面也会发生接地反弹——与其导通性无关。

在右边的例子中，一个经过合理规划切割的地平面会限制返回电流以使环路面积最小，从而大大减小接地反弹。在切割返回线路内产生的任何剩余接地反弹电压与通用地平面隔离。

图10中的PCB布线利用图9中示出的原理减小了接地反弹。采用双层PCB板以便将输入电容器和两个开关安排在地平面的孤岛上。

这种布线不必最好，但它工作很好，而且能够说明关键问题。应该注意红色电流（状态1）和蓝色电流（状态2）包围的环路面积很大，但两个环路面积之差很小。环路面积变换很小意味着磁通量的变化小——即接地反弹小。（然而，一般情况下，也要保证环路面积小——图10只是为了说明AC电流路径匹配的重要性。）

另外，在磁场和环路面积发生变化的接地回路孤岛内，沿着任何接地回路引起的接地反弹都受接地切割限制。

此外，可能第一眼看上去，输入电容器C VIN 好像没有位于图7中所示的顶层高端开关和低层低端开关之间，但进一步观察才会发现是这样。尽管物理邻近可以很好，但真正起作用的是通过最小化环路面积实现的电子接近。