開(kāi)關(guān)穩壓器布局：一層還是兩層？

2022-04-12

開(kāi)關(guān)穩壓器布局：一層還是兩層？

看看PCB上典型的開(kāi)關(guān)穩壓器布局；通常，出于多種原因，所有內容都放在一個(gè)層上。有時(shí)，例如在低功耗場(chǎng)景中，電路只是物理上很小，因此實(shí)際上不需要使用兩層來(lái)節省空間。對于較大的開(kāi)關(guān)穩壓器，組件的物理尺寸較大意味著(zhù)放置在兩層上理論上可能會(huì )節省一些空間，但由于安裝限制，這使得放置在外殼內變得更加困難。

如果您有一個(gè)中等尺寸的開(kāi)關(guān)穩壓器，可能有一些分立器件和一些 MOSFET，您可以靈活地將所有東西放在兩層上，因為您通常沒(méi)有大型機械部件（散熱器或風(fēng)扇）或高帽/電感器。您應該將所有內容放在單層還是兩層上，對性能有何影響？

事實(shí)證明，兩層布局的主要影響在于寄生效應和噪聲耦合。您可能會(huì )使設計更小，并且可能具有更低的輻射/接收EMI，但如果布局不當，您可能會(huì )與附近的互連產(chǎn)生強耦合。讓我們更深入地了解一下噪聲從哪里開(kāi)始產(chǎn)生問(wèn)題以及有哪些解決方案可以防止噪聲耦合。

一層和兩層開(kāi)關(guān)穩壓器中的噪聲

所有開(kāi)關(guān)穩壓器都會(huì )在其dV/dt 節點(diǎn)和 dI/dt 環(huán)路上產(chǎn)生噪聲。對于更復雜的拓撲，例如半橋/全橋拓撲，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)可以在設計中的不同位置之間移動(dòng)，具體取決于開(kāi)關(guān)FET之間的相位差。如果電路板中有一個(gè)PFC電路并且它在臨界導通模式下運行，那么它將在其高端和低端開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處進(jìn)行深度調制以產(chǎn)生高 dV/dt 尖峰。無(wú)論如何，dV/dt 節點(diǎn)將確定 dI/dt 回路的位置。這些將共同決定噪聲如何在設計周?chē)詈稀?span>

下面的示例降壓轉換器電路圖顯示了這些節點(diǎn)存在的位置?？梢詾樯龎恨D換器或隔離拓撲繪制類(lèi)似的圖表。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)和脈動(dòng)電流回路如圖所示；這些是電路輻射最大噪聲的點(diǎn)。

基本降壓轉換器電路，當Q1開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)指示電流方向。

這種類(lèi)型的電路可以使用柵極驅動(dòng)器進(jìn)行布局，以生成PWM脈沖并調制Q1。更高級的橋接或諧振拓撲基本上會(huì )做同樣的事情，但電流回路和 dV/dt 節點(diǎn)可能會(huì )根據拓撲在不同點(diǎn)之間交換。

在確定放置組件的位置（單面與雙面PCB布局）時(shí)，您將平衡穩壓器占用的面積與穩壓器可以耦合到其他電路的開(kāi)關(guān)噪聲。要了解每種樣式的一些優(yōu)點(diǎn)，讓我們看一些示例。

單層PCB布局示例

在本例中，我將研究可提供高達2 A電流的降壓穩壓器IC。該電路使用帶有電阻分壓器的反饋環(huán)路來(lái)檢測輸出電壓并調整一次性定時(shí)器以觸發(fā)內部MOSFET，從而產(chǎn)生開(kāi)關(guān)。因此，輸出dI/dt環(huán)路將跨越IC管芯上的接地層，并且需要在其下方有均勻的接地。

示例降壓轉換器原理圖。

將此電路轉移到布局時(shí)，我們有兩個(gè)目標：

防止來(lái)自SW_OUT的dV/dt噪聲通過(guò)寄生電容到達反饋回路。

確保dI/dt環(huán)路盡可能小，使其不會(huì )產(chǎn)生強烈輻射。

下面顯示了在PCB上布置這種小型開(kāi)關(guān)穩壓器的典型方法示例。我已經(jīng)粗略地追蹤了電路板上開(kāi)關(guān)電流的路徑，以便我們可以看到設計容易受到輻射的位置。堆疊使用 4 層。在這個(gè)設計中，我們有一條從R1回到U1（第 2 層上的走線(xiàn)）的反饋線(xiàn)，以及大銅開(kāi)關(guān)節點(diǎn) (SW_OUT)。

示例降壓轉換器布局，電流路徑從電感器L1追溯到穩壓器IC U1。

反饋跡線(xiàn)可能容易受到一些噪聲耦合的影響，這在此應用中非常重要。該線(xiàn)路用于確定何時(shí)需要復位內部單次定時(shí)器，以便在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期觸發(fā)內部MOSFET。因此，您希望避免強烈的噪音。在此示例中，將其放置在第2層并用地線(xiàn)將其包圍是確保低電感的好策略?？梢酝ㄟ^(guò)三種方式使這條跡線(xiàn)免受來(lái)自L1的開(kāi)關(guān)噪聲的影響：

將其保留在第2層，并使其遠離L1和SW_OUT

將它放在第1層，用一些覆銅包圍它，并用精心設計的開(kāi)關(guān)過(guò)孔對其進(jìn)行屏蔽

將走線(xiàn)放在背層，使其完全被GND屏蔽

如果我們想使用#3，我們不妨將輸出上限也放在后面的層上！讓我們看看這是什么樣子。

小心使用兩層穩壓器電路

在輸出側具有電流回路的兩層電路對于兩層布局很有吸引力。由于調節器中LC部分的布置，這種布置有時(shí)被稱(chēng)為翻蓋式設計。您可能選擇這種類(lèi)型的布線(xiàn)的主要原因是控制寄生效應，從而使您能夠控制開(kāi)關(guān)噪聲與其他電路的耦合。如果您要布置可能靠近其他電路的小型電源調節器，這是非?？扇〉?。

我們修改后的兩層電路如下所示（重點(diǎn)是第 1 層）。我在頂層留下了 U1、C5 和 L1；所有較小的無(wú)源器件都在底層。如果要將此板放入帶有小支架的外殼中，那么兩層上的笨重組件不會(huì )有任何問(wèn)題。與以前的布局相比，我們還能夠使電路板更小。

修改了兩層的降壓轉換器布局。

底層如下圖所示。通過(guò)將無(wú)源器件移至底層，我們收緊了反饋環(huán)路，使其電感更低，并且通過(guò)第2層和第3層的接地完全與 L1 屏蔽。另一個(gè)好處是SW_OUT；它也完全不受反饋回路的影響。

我們修改后的降壓轉換器布局的底層。

這種布局的缺點(diǎn)是沿電路板表面產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此我們無(wú)法沿PCB的頂部和底部邊緣路由任何數據信號。將后層用于反饋走線(xiàn)的另一個(gè)原因是需要在R1和R2上建立開(kāi)爾文連接?；旧?，作為反饋回路的一部分，您希望盡可能消除R1和R2上的接觸電阻。因此，您最好在反饋回路中選擇物理上更大的電阻器和更寬的走線(xiàn)。將這些電阻器和反饋走線(xiàn)放置在背面層可以讓您自由地執行此操作。

擴大

如果您了解單個(gè)功率MOSFET的這些原理，那么您可以將其擴展到具有兩個(gè)MOSFET的同步轉換器，或者更先進(jìn)的橋式轉換器、諧振轉換器或多相轉換器。這些布局更加復雜，因為在PCB布局中噪聲可以耦合到其他電路的位置更多。但是，如果您要設計更高級的電源拓撲，遵循上述噪聲耦合原則將有助于確保您取得成功。