開關(guān)電源和穩(wěn)壓器PCB布局指南分享

電源和穩(wěn)壓器有多種形狀和尺寸。 盡管它們通常被視為不同的產(chǎn)品，但它們在電氣上是等效的，尤其是開關(guān)穩(wěn)壓器。 從先進(jìn)系統(tǒng)的角度來看，電源的開關(guān)穩(wěn)壓器部分和實(shí)際的穩(wěn)壓器電路在同一個(gè)框圖中執(zhí)行相同的功能。

對于電源而言，這只是規(guī)模以及穩(wěn)壓器如何與系統(tǒng)中其他電源轉(zhuǎn)換模塊集成的問題。 電源中的開關(guān)穩(wěn)壓器部分和 PCB 上的開關(guān)穩(wěn)壓器電路應(yīng)根據(jù)相同的一般準(zhǔn)則進(jìn)行布置，以確保低噪聲運(yùn)行。

在下一節(jié)中，我想簡要關(guān)注電源和穩(wěn)壓器之間的差異，盡管大多數(shù)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)知道這一點(diǎn)。 電源將（或應(yīng)該）包括電源調(diào)節(jié)器，但調(diào)節(jié)器可以是獨(dú)立的電路，而不是所謂的電源。 對于帶有板載穩(wěn)壓器的電源和PCB，開關(guān)穩(wěn)壓器的布局將是決定整體系統(tǒng)性能的主要因素。 因此，我們在穩(wěn)壓器布局方面主要關(guān)注一些開關(guān)電源的布局標(biāo)準(zhǔn)。

開關(guān)電源的系統(tǒng)布局標(biāo)準(zhǔn)

在查看開關(guān)電源的穩(wěn)壓器部分之前，我們應(yīng)該首先查看整個(gè)系統(tǒng)的高級框圖。 如果您正在設(shè)計(jì)電源，整個(gè)設(shè)備將具有拓?fù)洹?這對于壁裝電源插座的交流電源尤其重要。

系統(tǒng)的高級框圖可以在多塊板上實(shí)現(xiàn)，盡管通常所有東西都放置在一塊板上，以便為大型變壓器、散熱器、風(fēng)扇和機(jī)械安裝支架留出空間，特別是對于高壓/電流電源。 如果您正在設(shè)計(jì)一個(gè)小型穩(wěn)壓器，以便將電路板插入電源單元，那么無論如何您都將采用上述拓?fù)?，并且輸出穩(wěn)壓器和新穩(wěn)壓器之間只有一根地線。 同樣，這對于大電流電源來說很常見。

我們有三個(gè)獨(dú)立的接地區(qū)域，它們與蓋子連接在一起。 不要盲目遵循使用電容的準(zhǔn)則：沒有一種 PCB 接地技術(shù)可以解決所有噪聲源，因此使用電容時(shí)應(yīng)非常小心。 如圖所示，這是保證所有接地區(qū)域具有恒定接地電位的方法。 這是工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)接地的推薦方法。 這里的想法是防止兩個(gè)接地部件之間可能產(chǎn)生任何直流電勢

這里的危險(xiǎn)是會(huì)產(chǎn)生接地環(huán)路和共模噪聲，必須將其過濾。 這樣，將接地線綁在一起基本上是用金屬外殼完成的工作，而塑料外殼將使接地線保持隔離。 這變得很棘手，需要仔細(xì)的電路設(shè)計(jì)和 PCB 布局才能通過所有 EMC 測試。

輸出級

輸出級不需要電流隔離； 它取決于直流穩(wěn)壓器的拓?fù)洌ㄕ垍㈤喎醇な睫D(zhuǎn)換器的示例）。 通常，在輸出端放置傳導(dǎo)EMI濾波器電路或共模扼流圈，以抑制到達(dá)負(fù)載電路的共模電流。 除了這些要點(diǎn)之外，還將使用特定于穩(wěn)壓器拓?fù)涞淖罴褜?shí)踐來安排輸出穩(wěn)壓器級。 我將在下面介紹這些有關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)布局的更廣泛的想法。

電源的輸出級可能不是系統(tǒng)中的最終調(diào)節(jié)器。 相反，可以為另一個(gè)穩(wěn)壓器或一系列穩(wěn)壓器供電，每個(gè)穩(wěn)壓器將以某個(gè)最大電流為一組組件提供設(shè)定電壓。 同樣，這可以在單板或多塊板上完成（一塊用于電源，一塊用于調(diào)節(jié)器級）：

布局每個(gè)電路塊

現(xiàn)在，我們已經(jīng)看到了整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)，也可以大致了解開關(guān)電源以及整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)電路模塊如何布局，以保證低EMI和安全。

分段布局：與其他具有多個(gè)功能塊的電路板一樣，嘗試電源板的分段布局。 這可以在框圖中從輸入到輸出線性地完成。

規(guī)劃帶有反饋的布局：有時(shí)，例如在精密大電流調(diào)節(jié)器中，部件之間會(huì)存在一些反饋。 使用光耦合器橋接每個(gè)部分之間的接地間隙。

遵循接地電路：如果PCB設(shè)計(jì)中有一般準(zhǔn)則，則可能是“遵循接地電路”。 對于電源來說，這對于確定在何處生成共模電流并確保每個(gè)電源部分的環(huán)路電感較低至關(guān)重要。

注意高電流和高電壓軌：高電壓和高電流設(shè)計(jì)有時(shí)可以混合在一起。 兩個(gè)導(dǎo)體之間的最大電位差將決定它們的最小間距，而導(dǎo)體承載的電流將決定其所需的寬度，以確保低溫

光耦合器是小型 IC，可用于在兩個(gè)電氣隔離的接地區(qū)域之間橋接數(shù)據(jù)或感測信號。 光耦合器 (U4) 在 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中用作反饋環(huán)路的一部分，與電流檢測放大器一起精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。

在PDN設(shè)計(jì)部分，還應(yīng)該考慮如何將各個(gè)部分接地以及如何將接地連接在一起以提供一致的參考電位。 正如我之前提到的，這對于防止 EMI 非常重要。 這應(yīng)該在開始處理 PCB 布局之前完成。

功率開關(guān)穩(wěn)壓器的布局技巧

選擇穩(wěn)壓器元件、創(chuàng)建原理圖并設(shè)計(jì)接地/分布策略后，您可以開始考慮 PCB 布局。 開關(guān)電源穩(wěn)壓器的PCB布局需要平衡：需要平衡導(dǎo)體尺寸和電氣間隙要求，但需要使結(jié)構(gòu)緊湊。始終為您的系統(tǒng)實(shí)施最小間隙和布線寬度規(guī)則。盡可能縮短電壓/電流檢測反饋線，選擇最直接的路線。

您可能需要在驅(qū)動(dòng)器和控制器 IC 周圍收集一些控制和檢測組件，因此請確保在它們之間建立短連接。 這些組件可以聚集在一個(gè)狹窄的區(qū)域中（見下文）。如果要設(shè)計(jì)大電流，可以考慮使用較厚的銅甚至金屬芯PCB。不要害怕使用多邊形作為組件或連接器的安裝墊。 直接綁回飛機(jī)時(shí)要小心，因?yàn)槟赡苄枰帷?/span>

盡管監(jiān)管機(jī)構(gòu)非常高效，但它們?nèi)匀粫?huì)變得很熱。 確保在布局中留出空間以容納 IC 上的任何散熱器（如果有）。 另一種選擇是使用熱界面材料。

開關(guān)電源布局的某些部分可能非常緊湊，并且可能具有更寬的導(dǎo)軌/多邊形。 不要害怕使用這些元件來確保您在安全溫度下運(yùn)行并創(chuàng)建低電感布局。

開關(guān)穩(wěn)壓器的具體布局指南將取決于拓?fù)?、組件數(shù)量、反饋的存在和接地策略。 我希望您在開始 PCB 布局之前已考慮接地以防止 EMI 并提供所需的隔離。 要查看針對您的特定監(jiān)管機(jī)構(gòu)的更具體指南，請參閱以下附加資源：

• 如何設(shè)計(jì)升壓調(diào)節(jié)器

• 隔離與非隔離電源：正確選擇無故障

• LLC 諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和 PCB 布局

• 低噪聲、低 EMI 穩(wěn)壓器

我們沒有涵蓋什么？

顯然，上述開關(guān)電源和穩(wěn)壓電路的布局指南需要考慮很多因素。 還缺少什么？ 在上面的討論中，電力調(diào)節(jié)和傳輸?shù)囊恍╆P(guān)鍵方面沒有出現(xiàn)：

PDN阻抗：如果您不設(shè)計(jì)高速/高頻組件，則可能不需要擔(dān)心PDN阻抗。 只要確保使用肥沃的電源軌和大量的地面即可。 如果您是為高速/高頻設(shè)計(jì)的，低PDN阻抗對于抑制紋波非常重要，這通常需要大量的去耦電容器和高的層間電容。

電源EMI：我在上面提到過這一點(diǎn)。