開關穩(wěn)壓器設計的PCB布局布線
關鍵字：開關電源 開關穩(wěn)壓器 PCB布局 PWM
開關模式電源用于將個電壓轉換為另個電壓。這種電源的效率通常很，因此，在許多應用中，它取代了線穩(wěn)壓器。
開關頻率與開關轉換
開關模式電源以的開關頻率工作。開關頻率既可以是固定的（例如在PWM型中），也可以根據某些因素而變化（例如在PFM或遲滯型中）。無論何種情況，開關模式電源的工作原理，都在于它有的開啟時間Ton和的關閉時間Toff.圖1顯示了個5占空比的開關周期。這意味著，在完整周期T的5時間里，轉換器中有某電流；在另外5時間里，轉換器中有不同的電流。
當我們考慮系統噪聲時，實際的開關頻率（換言之，周期長度T）并不是很重要。如果它在系統的敏感信號頻率范圍內，開關頻率或其諧波可能會影響系統。但般而言，開關頻率并不是影響系統的zui大因素。
在開關模式電源中，真正重要的是開關轉換的速度。在圖1的下半部分，我們可以看到開關轉換在時間標度上的放大圖。在周期T為2us的時間標度上，對于500kHz PWM開關頻率，轉換看起來像是條垂直線，如圖1的上半部分所示。但放大后，如圖1的下半部分所示，我們可以看到，開關轉換通常需要30到90ns的時間。
為什么良好的PCB布局布線重要？
每2.5cm PCB走線具有大約20nH的走線電感。確切的電感值取決于走線的厚度、寬度和幾何形狀，但根據經驗，般取20nH/2.5cm切實可行。假設個降壓穩(wěn)壓器提供的輸出電流，我們將會看到電流從0A切換到.當開關電流很大且開關轉換時間很短時，我們可以利用下面的公式，計算微小的走線電感會產生多大的電壓偏移：
由此可見，2.5cm的走線電感就能產生相當大的電壓偏移。這種偏移甚至常常導致開關模式電源失效。將輸入電容放在離開關穩(wěn)壓器輸入引腳幾厘米的地方，通常就會導致開關電源不能工作。在布局布線不當的電路板上，如果開關電源仍能工作，它將產生大的電磁干擾（EMI）。 在上面的公式中，我們*能改變的參數是走線電感。我們可以使走線盡可能短，從而降低走線電感。較厚的銅線也降低電感。由于負載所需的功率固定，因此我們無法改變電流參數。對于轉換時間而言，我們可以改變，但般不想改變。減慢轉換時間可以降低產生的電壓偏移，從而降低EMI,但是開關損耗卻會提，我們將不得不以較低的開關頻率并利用昂貴而龐大的電源器件工作。
找到交流電流走線
在開關模式電源的PCB布局布線中，zui重要的準則是以某種方式使交流走線盡可能短。如果能認真遵守這準則，良好的電路板布局布線可以說已經成功了8.為了找到這些在很短的時間（轉換時間）內將電流從"滿電流"變?yōu)?/span>"無電流"的交流走線，我們將原理圖繪制了三次。如圖2所示，它是個簡單的降壓型開關模式電源。在頂部的原理圖中，我們用虛線畫出了開啟時間內電流的流動。在中間的原理圖中，我們用虛線畫出了關閉時間內電流的流動。底部的原理圖特別值得注意。這里，我們畫出了電流從開啟時間變?yōu)殛P閉時間的走線。
圖2底部原理圖中的這些走線是交流走線，必須使其盡可能短，以降低寄生電感。
通過這種方法，我們可以輕松找到開關模式電源拓撲結構的交流電流走線。
在評估現有的電路板布局布線時，個好的辦法是將其打印在紙上，并放上張透明的塑料板，然后用不同顏色的筆，畫出開啟時間和關閉時間內的電流流向及相應的交流走線。雖然我們傾向于認為，能夠在頭腦中完成這相對簡單的工作，但在思維過程中，我們常常會犯些小錯誤，因此，強烈建議在紙上繪出走線。
實現良好的PCB布局布線
圖2顯示了降壓穩(wěn)壓器的交流走線。必須注意，某些接地走線也是交流走線，同樣需要保持盡可能短。此外，對于這些交流電流路徑，建議不要使用過孔，因為過孔的電感也相當。對于這規(guī)則，有少的例外情況。如果交流路徑不使用過孔，將實際導致比過孔本身大的走線電感，那么建議使用過孔。多個過孔并聯優(yōu)于使用單個過孔。
圖3所示為采用ADI公司ADP2300降壓穩(wěn)壓器的電路板的布局布線示例。我們檢查下，圖中的交流走線是否是按zui短的路徑布設。圖2用字母A、B、C表示了交流電流連接。
圖3中的連接A是按照盡可能短的路徑布設，因為C2的側連接能夠以zui短的走線連接到開關MOSFET（ADP2300的引腳5,即Vin引腳）。
連接B是引腳6（SW引腳）與二管D1的陰側之間的走線。在圖3中，我們同樣看到該走線盡可能短，以降低走線電感。
連接C是二管D1的陽與C2的接地連接之間的走線。這兩個器件的焊盤彼此相鄰，具有zui低的走線電感。此外，這也有利于該交流電流不經過安靜的接地層。接地層應用作基準電壓，沒有電流（特別是沒有交流電流）流過接地層。C2旁邊的過孔將PCB頂層的接地區(qū)域連接到底層的地，但沒有交流電流流經這些過孔。
電感的特殊考慮
在EMI方面，我們也必須考慮電感。實際器件并不像許多人認為的那樣對稱。電感有個磁芯，磁芯周圍繞著電線。繞組總有個起始端和個結束端。起始端連接到電感的內繞組，結束端從電感的外繞組接出。圖4所示為的鼓式電感的示意圖。繞組的起始端通常在器件上標有個圓點。將起始端連接到噪聲開關節(jié)點，將結束端連接到安靜的電壓重要。對于降壓穩(wěn)壓器，安靜的電壓就是輸出電壓。這樣，外繞組上的固定電壓，可以在電氣上內繞組上的交流開關節(jié)點電壓，從而電源的EMI將會較低。
圖4:電感的繞組起始端和結束端
提下，所謂的電感也是如此。具有磁導率的電感的外部，確實使用了某種材料，該材料會收緊封裝側的大部分磁力線。然而，這種材料只能抑制磁場，而不能抑制電場。外繞組上的交流電壓主要是電氣或容耦合引起的問題，電感的材料沒有抑制此類耦合。因此，電感也應放在電路板上，以便將噪聲開關節(jié)點連接到繞組起始端，從而將EMI降到zui低。
開關模式電源良好電路板布局布線的基礎
工程課程般不會教授如何實現良好的電路板布局布線。頻RF類課程會研究走線阻抗的重要，但需要自行構建系統電源的工程師，通常不會將電源視為頻系統，而忽視了電路板布局布線的重要。電路板布局布線不當引起的大多數問題，都可以歸結為未交流電流走線盡可能短并且緊湊。了解本文所述電路板布局布線準則背后的理由并嚴格遵守，將能夠把開關模式電源的PCB相關問題降到zui小。
