開(kāi)關(guān)電源和穩壓器的PCB布局指南

2021-05-26

開(kāi)關(guān)電源和穩壓器的PCB布局指南

電源和調節器可以有各種形狀和尺寸。盡管通常將它們討論為不同的產(chǎn)品，但它們在電氣上是等效的，尤其是開(kāi)關(guān)穩壓器。從高級系統角度來(lái)看，電源的開(kāi)關(guān)調節器部分和實(shí)際的調節器電路在同一框圖內執行相同的功能。

對于電源，這僅是規模問(wèn)題以及調節器如何與系統中的其他電源轉換模塊集成。電源中的開(kāi)關(guān)穩壓器部分和PCB上的開(kāi)關(guān)穩壓器電路應按照相同的通用準則進(jìn)行布局，以確保低噪聲運行。

在接下來(lái)的部分中，我想簡(jiǎn)要地關(guān)注電源和穩壓器的不同之處，盡管大多數設計人員已經(jīng)很清楚了。電源將（或應該）包括電源穩壓器，但穩壓器可以是獨立電路，不屬于所謂的電源。對于電源和帶有板載穩壓器的PCB而言，開(kāi)關(guān)穩壓器的布局將是決定整體系統性能的主要因素。因此，我們將主要在調節器布局方面著(zhù)眼于一些開(kāi)關(guān)電源的布局準則。

開(kāi)關(guān)電源的系統布局準則

在查看開(kāi)關(guān)電源的調節器部分之前，我們應該首先查看整個(gè)系統的高級框圖。如果您正在設計電源設備，則整個(gè)設備將具有如下所示的拓撲。這對于從壁裝電源插座獲取交流電的電源尤為重要。

開(kāi)關(guān)電源的高級框圖。

上面的框圖可以在多塊板上實(shí)現，盡管通常將所有東西都放在一塊板上，以便為大型變壓器，散熱器，風(fēng)扇和機械安裝架留出一定的空間，尤其是對于高電壓/電流電源。如果您正在為要插入電源單元的電路板設計一個(gè)小型穩壓器，那么無(wú)論如何您都將在上述拓撲中工作，您將在輸出穩壓器和新穩壓器之間只有一條地線(xiàn)。同樣，這對于大電流電源來(lái)說(shuō)很常見(jiàn)。

上圖中還有一些要討論的要點(diǎn)：

電流隔離

在上面的框圖中，我們有三個(gè)單獨的接地區域，它們與蓋帽綁在一起。不要盲目地遵循使用帽的指導原則：沒(méi)有一種PCB接地技術(shù) 可以解決每個(gè)噪聲源，因此在使用上述帽時(shí)應格外小心。如圖所示，這是一種確保所有接地區域均具有恒定接地電位的方法。這是工業(yè)以太網(wǎng)系統接地的一種推薦方法。這里的想法是阻止兩個(gè)接地部分之間可能產(chǎn)生的任何直流電勢

此處的危險是會(huì )產(chǎn)生接地環(huán)路和共模噪聲，然后必須對其進(jìn)行濾波。這樣，將接地線(xiàn)綁在一起基本上就是在擁有金屬機箱的情況下完成的工作，而塑料外殼會(huì )使接地線(xiàn)保持隔離。這變得棘手，需要仔細的電路設計和PCB布局才能通過(guò)所有EMC測試。

輸出級

不需要在輸出級上進(jìn)行電流隔離；它取決于DC穩壓器的拓撲（有關(guān)示例，請參見(jiàn)反激式轉換器）。通常，在輸出端放置一個(gè)傳導EMI濾波器電路或共模扼流圈，以抑制到達負載電路的共模電流。除了這些要點(diǎn)之外，還將使用針對特定穩壓器拓撲的最佳實(shí)踐來(lái)安排輸出穩壓器級。我將在下面介紹這些關(guān)于監管機構布局的更廣泛的想法。

電源設備的輸出級可能不是系統中的最終調節器。取而代之的是可以給另一個(gè)穩壓器或一系列穩壓器供電，每個(gè)穩壓器將以某個(gè)最大電流為一組組件提供設定電壓。同樣，這可以在單個(gè)板上或在多個(gè)板上完成（一個(gè)用于電源，另一個(gè)用于調節器級）：

開(kāi)關(guān)電源的配電圖。

上面的功率樹(shù)顯示了并聯(lián)的調節器（菊花鏈式），但是它們也可以級聯(lián)在樹(shù)形拓撲中。PDN中的電流映射非常有用，因為它可以幫助您快速繪制出每個(gè)下游調節器級將為PDN中的總電流貢獻多少電流。然后，總電流和單個(gè)電流將確定向系統中的每個(gè)部分輸送足夠電流所需的電源軌或電源平面的大小。

布置每個(gè)電路塊

現在，我們可以看到整個(gè)系統的體系結構，可以大致了解如何對開(kāi)關(guān)電源和整個(gè)系統中的每個(gè)電路模塊進(jìn)行布局，以確保低EMI和安全性。創(chuàng )建PCB布局時(shí)，請考慮整個(gè)框圖：

分節布局：與具有多個(gè)功能塊的其他電路板一樣，請嘗試分節布局電源板?？梢砸跃€(xiàn)性方式從框圖中的輸入到輸出進(jìn)行此操作。

計劃有反饋的布局：有時(shí)，例如在精密大電流調節器中，各部分之間會(huì )有一些反饋。使用光耦合器橋接每個(gè)部分之間的接地間隙。

遵循接地回路：如果在PCB設計中有通用的準則，則可能是“遵循接地回路”。對于電源而言，這對于確定可產(chǎn)生共模電流的位置以及確保每個(gè)電源部分中的低環(huán)路電感至關(guān)重要。

注意高電流和高電壓軌：高電壓和高電流設計有時(shí)會(huì )混雜在一起。兩個(gè)導體之間的最大電勢差將確定其最小間距，導體所攜帶的電流將確定其所需的寬度以確保低溫

光耦合器是小型IC，可用于跨兩個(gè)電隔離的接地區域橋接數據或感測信號。該光耦合器（U4）被用于LLC諧振轉換器中，作為帶有電流檢測放大器的反饋環(huán)路的一部分，以精確調整轉換器的開(kāi)關(guān)頻率。

在進(jìn)行PDN設計部分時(shí)，您還應該考慮如何將每個(gè)部分接地以及如何將接地綁在一起以提供一致的參考電位。正如我前面提到的，這對于防止EMI非常重要。這應該在開(kāi)始處理PCB布局之前完成。

電源開(kāi)關(guān)穩壓器布局技巧

為穩壓器選擇組件，創(chuàng )建原理圖并設計接地/配電策略后，就可以開(kāi)始考慮PCB布局了。開(kāi)關(guān)電源穩壓器的PCB布局全都需要權衡：您需要平衡導體尺寸與電氣間隙要求，但需要使結構緊湊。

我們已在此博客上發(fā)布了多篇有關(guān)布局特定穩壓器拓撲的指南。下面的列表沒(méi)有列出所有這些可能性，而是顯示了一些將在您的系統中應用的廣泛準則。

始終為您的系統實(shí)施最小間隙和走線(xiàn)寬度規則。

盡可能縮短用于最直接路由的電壓/電流檢測反饋線(xiàn)。

您可能必須在驅動(dòng)器和控制器IC周?chē)奂恍┛刂坪蜋z測組件，因此請確保在它們之間建立短連接?？梢詫⑦@些組件聚集在一個(gè)狹窄的區域中（請參見(jiàn)下文）。

如果要設計大電流，則考慮使用較厚的銅甚至是金屬芯PCB。

不要害怕使用多邊形作為組件或連接器的安裝墊。直接綁回飛機時(shí)要小心，因為您可能需要散熱。

即使穩壓器可以具有很高的效率，但它們仍然會(huì )發(fā)燙。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(kāi)關(guān)電源布局的某些部分可能非常緊，并且可能具有更寬的導軌/多邊形。不要害怕使用這些元素來(lái)確保您在安全的溫度下運行并創(chuàng )建低電感布局。

開(kāi)關(guān)穩壓器的具體布局指南將取決于拓撲，組件數量，反饋的存在以及接地策略。希望您已經(jīng)考慮過(guò)接地，以防止EMI并提供所需的隔離，然后再開(kāi)始進(jìn)行PCB布局。要查看針對您的特定監管機構的一些更具體的準則，請查看以下其他一些資源：

如何設計升壓穩壓器

隔離與非隔離電源：沒(méi)有故障的正確選擇

LLC諧振轉換器設計和PCB布局

低噪聲，低EMI穩壓器

我們沒(méi)有覆蓋什么？

顯然，在上述用于開(kāi)關(guān)電源和穩壓器電路的布局指南中，有很多要考慮的因素。那還缺少什么呢？在上面的討論中，電源調節和傳輸的一些關(guān)鍵方面沒(méi)有出現：

PDN阻抗：如果您不設計高速/高頻組件，則可能無(wú)需擔心PDN阻抗。只要確保使用肥力的電源軌和大量的地面倒入即可。如果您設計用于高速/高頻，那么低PDN阻抗對于抑制紋波非常重要，通常需要使用大量的去耦電容器和較高的平面間電容來(lái)實(shí)現。

電源EMI：我在上面已經(jīng)提到了這一點(diǎn)。無(wú)論何時(shí)創(chuàng )建PCB布局，都應該考慮確保低EMI，但是在抑制EMI和使EMC測試通過(guò)低環(huán)路電感布線(xiàn)之外，還有很多事情要做。我將在一篇專(zhuān)門(mén)針對電源EMI的文章中討論其中的一些觀(guān)點(diǎn)。

模擬電源：在這里，我們正在研究通常在數字IC中討論的開(kāi)關(guān)轉換器。那模擬元件呢？他們的電力需求可能大不相同。發(fā)出模擬/ RF信號的數字IC通常會(huì )在內部這樣做。但是，有專(zhuān)門(mén)的LDO（例如NCP161BMX280TBG）或開(kāi)關(guān)穩壓器（例如LTC3388IMSE-1）。

還有元件選擇的問(wèn)題，例如選擇電感器以確保低EMI和共模噪聲耦合，以及確保低紋波電流。上面列表中的最后一點(diǎn)也很重要，因為純模擬電路的布局風(fēng)格與數字系統的電源穩壓器或嵌入式電源不同。一旦您在極高的頻率下工作，由于寄生電容（類(lèi)似于不穩定放大器電路中所見(jiàn)的情況），RF電源問(wèn)題就更難解決。