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在开关电源的设计中#xff0c;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… 文章目录 前言1.DC-DC的环流2.PCB布局要点3.输入电容器的布局4.续流二极管的布局5.热焊盘 前言
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1开关元件Q1导通时的电流路径 如图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2开关元件Q1关断时的电流路径 图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3电流差分、布局方面的重要路径 图3的红色线表示图1和图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 2.1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。 2.2为改善散热条件可以考虑加入散热过孔阵列。 2.3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。 2.4输出电容器尽量靠近电感器放置。 2.5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CbypassCbypass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0.1μF0.47μF的电容。 
图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1cm2cm进行布局。 
图6CBYPASS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7将CIN放在IC的背面纹波电压可能会增大 
图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9理想的续流二极管布局 图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10不理想的续流二极管布局 如图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12。 
图11理想的缓冲电路布局 
图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。
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