開(kāi)關(guān)電源 PCB 布局指南

2021-08-09

開(kāi)關(guān)電源 PCB 布局指南

電源設計人員了解開(kāi)關(guān)模式電源 PCB 布局所涉及的復雜技術(shù)細節和功能要求。布局決定了對電磁干擾 (EMI) 的敏感性、熱行為、電源完整性和安全性。良好的布局可確保高效率的功率轉換和傳輸到負載，同時(shí)允許熱量從布局中的熱組件傳輸出去，并確保電子系統周?chē)牡驮肼曬詈?。安全性也是開(kāi)關(guān)穩壓器的一個(gè)重要因素，它可能會(huì )為輸出提供高電流，從而造成安全隱患。

糟糕的布局選擇會(huì )導致在高電流水平下出現的問(wèn)題，并且隨著(zhù)輸入到輸出電壓之間的巨大差異變得明顯。不良 PCB 布局常見(jiàn)的電源問(wèn)題包括高輸出電流下的穩壓損失、輸出和開(kāi)關(guān)波形上的過(guò)多噪聲以及電路不穩定。結合直流電源完整性仿真工具、電路仿真和分析功能以及最佳布局和布線(xiàn)實(shí)用程序，設計人員可以確保他們的設備安全可靠。Altium Designer 提供電源 PCB 布局軟件和更多有助于防止這些問(wèn)題的軟件。

可幫助您遵循開(kāi)關(guān)模式電源 PCB 布局指南的 PCB 設計軟件。

電源面臨一系列挑戰，需要一整套設計和分析功能來(lái)確保它們正常運行。這些設計還可能通過(guò)暴露于高壓和突然向用戶(hù)釋放電流而造成對用戶(hù)不利的安全隱患。設計人員如何確保他們能夠構建安全、準確和可靠的電源？

開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)在無(wú)功電路中使用開(kāi)關(guān)功率元件在高電流整流交流電和高電壓之間進(jìn)行轉換的標準。與典型的 LDO 穩壓器相比，這些組件是非線(xiàn)性的，通常使用反饋來(lái)維持穩壓。在 LDO 中，通過(guò)誤差放大器飽和來(lái)維持調節，從而產(chǎn)生在 PCB 布局中被視為熱量的電阻損耗。

雖然從調節和效率的角度來(lái)看，開(kāi)關(guān)穩壓器是首選，但它們可能難以布局，因為它們涉及更多組件，其中一些將具有更大的寄生效應，如果布置不當，可能容易受到噪聲問(wèn)題的影響。要開(kāi)始您的下一個(gè)電源布局，請遵循這些開(kāi)關(guān)模式電源 PCB 布局指南，以確保您的設計可靠。

開(kāi)始您的 SMPS PCB 布局

要遵循一些基本的 SMPS PCB 布局規則，這將有助于確保您的設計具有低噪聲問(wèn)題、低輻射 EMI 并保持低溫。概括地說(shuō)，這些指導方針可以概括如下：

嘗試通過(guò)正確定義接地、在 PCB 布局中放置短布線(xiàn)以及在 PCB 中布置電流隔離部分來(lái)保持低 EMI，從而避免噪聲耦合。

如果布局中存在噪聲、需要包絡(luò )跟蹤等功能或特定噪聲源在設計中引起問(wèn)題，則在需要時(shí)使用適當的輸入和輸出 EMI 濾波器電路。

使用大量銅提供遠離重要組件的散熱路徑。如果需要，您可以考慮獨特的外殼設計，以及熱組件上的散熱器或風(fēng)扇。

放置快速開(kāi)關(guān)、高電流電路（如 MOSFET 陣列），以便在開(kāi)關(guān)事件期間設計中沒(méi)有寄生振蕩。

監管機構，例如 Underwriter Laboratories 和 IEC 測試電源的輻射電磁干擾 (EMI)、傳導 EMI、穩定性、效率和工作壽命。FCC 和 CE 法規還對開(kāi)關(guān)模式電源的輻射設置了限制，因為這些設備可能是無(wú)意的散熱器。Altium Designer 提供了您需要的電路分析工具來(lái)了解有關(guān)器件電氣行為的更多信息，PCB 布局工具可以幫助您在考慮模擬電氣規范的同時(shí)創(chuàng )建滿(mǎn)足上述要求的布局。

定義地面時(shí)要小心

要考慮的第一個(gè)開(kāi)關(guān)模式電源 PCB 布局指南是如何在布局中定義接地。在設計開(kāi)關(guān)電源電路時(shí)，請記住存在五個(gè)接地點(diǎn)。這些可以分成不同的導體以確保電流隔離。這些是：

輸入大電流源地

輸入大電流電流回路地

輸出大電流整流地

輸出大電流負載地

低層控制地

這些接地連接中的每一個(gè)都可能存在于物理上分開(kāi)的導體中，具體取決于轉換器、整流器或穩壓器電路中電流隔離的需要。如果接地是電容耦合的，您的電源電路可能會(huì )允許共模噪聲，例如通過(guò)附近的導電外殼通常會(huì )發(fā)生這種情況。PCB 中的接地區域應在隔離組件的每一側明確定義，例如

如果由于某種原因確實(shí)需要橋接接地以消除某些 DC 偏移，則 Y 級電容器是最佳選擇，因為它提供了高頻濾波并消除了接地區域之間的 DC 偏移。

每個(gè)大電流接地都用作電流回路的一個(gè)支路，但它的布局應為電流提供低阻抗返回路徑。這可能需要多個(gè)通孔返回接地層，以允許低等效電感的高電流。這些點(diǎn)及其相對于系統接地的電位成為測量在電路不同點(diǎn)之間傳導的直流和交流信號的點(diǎn)。由于需要防止來(lái)自大電流交流接地的噪聲逸出，適當的濾波電容器的負極端子用作大電流接地的連接點(diǎn)。

定義地面區域的最佳做法是使用大平面或多邊形澆筑。這些區域提供了低阻抗路徑來(lái)驅散來(lái)自 DC 輸出的噪聲，并且它們可以處理高返回電流。它們還提供了在需要時(shí)將熱量從重要組件傳輸出去的路徑。在兩側放置接地層可吸收輻射 EMI、降低噪聲并減少接地環(huán)路誤差。在用作靜電屏蔽和消散渦流中的輻射 EMI 的同時(shí)，接地層還將電源線(xiàn)和電源層的組件與信號層組件分開(kāi)。Altium Designer 的 CAD 工具可以輕松定義 PCB 布局中的接地并放置大導體以用作 PCB 中的接地區域。尤其是在使用開(kāi)關(guān)電源時(shí)，

設計中的接地區域可以根據其功能賦予多個(gè)名稱(chēng)。在設計中定義接地區域時(shí)要小心，并確保將它們正確鏈接在一起。 

接地層在電源 PCB 布局之外的系統中也很重要。確保將連接定義為具有低阻抗而不影響裝配。 

共模噪聲和傳導紋波是 PCB 布局中的主要噪聲源，當噪聲極端時(shí)，它們會(huì )導致設計無(wú)法通過(guò) EMI 測試。 

電源層和接地層提供低阻抗連接，同時(shí)提供遠離系統重要部分的散熱路徑。

原理圖編輯器協(xié)助布局

接地是開(kāi)始設計的重要位置，因為它將決定 PCB 布局的抗噪性和可布線(xiàn)性。然而，這并不是電源設計的唯一考慮因素。開(kāi)關(guān)動(dòng)作和 EMI 抑制內置于電源中，需要在 PCB 中明確定義。

在哪里進(jìn)行接地連接

SMPS 控制器精確調節輸出電壓的能力取決于低電平控制地的連接。當您使用集成電路、輸入電容器、輸出電容器和輸出二極管時(shí)，請確保這些組件連接到接地層。接地連接連接到控制 IC 及其相關(guān)電路測量交流電流、直流電流、輸出電壓和其他主要參數的點(diǎn)。將低電平接地連接到電流檢測電阻器或輸出分壓器的下側可防止控制電路檢測共模噪聲。

設計切換動(dòng)作

SMPS 通過(guò)在截止工作狀態(tài)和飽和工作狀態(tài)之間快速切換傳輸單元并向輸出負載提供恒定功率來(lái)工作。在截止時(shí)，通過(guò)單元上存在高電壓，但沒(méi)有電流流動(dòng)。在飽和時(shí)，高電流以非常小的電壓降流過(guò)通過(guò)單元。由于半導體開(kāi)關(guān)從直流輸入電壓產(chǎn)生交流電壓，SMPS 可以通過(guò)變壓器升壓或降壓，然后在輸出端將電壓過(guò)濾回直流。

脈寬調制 (PWM) 開(kāi)關(guān)電源在正向模式或升壓模式下運行。正向模式電源在輸出端有一個(gè) LC 濾波器，它根據從濾波器獲得的輸出的伏特時(shí)間平均值產(chǎn)生直流輸出電壓。為了控制信號的電壓時(shí)間平均值，開(kāi)關(guān)電源控制器改變輸入矩形電壓的占空比。

降壓轉換器與升壓轉換器

當電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，升壓轉換器模式電源將電感器直接連接到輸入電壓源。電感電流從零開(kāi)始增加并在關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)的同時(shí)達到峰值。輸出整流器鉗位電感器輸出電壓并防止電壓超過(guò)電源輸出電壓。當存儲在電感器核心中的能量傳遞到輸出電容器時(shí)，電感器的開(kāi)關(guān)端子回落到輸入電壓的電平。

同時(shí)，降壓轉換器模式電源使用相同的組件，但采用不同的拓撲結構將電感器的反電動(dòng)勢鉗位在低于輸入電壓的水平。開(kāi)關(guān)動(dòng)作提供與升壓轉換器相同的效果，其中輸出電流與充電/放電電容器競爭而振蕩，從而實(shí)現輸出功率的調節。兩種類(lèi)型的穩壓器/轉換器拓撲都允許開(kāi)關(guān)噪聲傳播到設計中的輸出端口，這可以看作是輸出上的高頻紋波。

降壓和升壓轉換器布局可以承載高電流，需要大多邊形來(lái)容納熱量并防止功率損耗。 

電源布線(xiàn)有助于確保低噪聲運行

開(kāi)關(guān)電源傳導高頻噪聲，直到噪聲頻率達到開(kāi)關(guān)頻率的大約 100 倍。然后，噪聲頻率以每十倍頻程 -20 到 -40 dB 的速率下降。由于開(kāi)關(guān)穩壓器在“開(kāi)”和“關(guān)”電源狀態(tài)下運行，具有銳邊的大電流脈沖在開(kāi)關(guān)電源電路中流動(dòng)，因此會(huì )產(chǎn)生 EMI。ON 和 OFF 電源狀態(tài)之間的轉換會(huì )產(chǎn)生 EMI，如果電源布局中的電流環(huán)路太大，則可能會(huì )在系統中的其他地方感應出 EMI。開(kāi)關(guān)電源電路由電源開(kāi)關(guān)回路和輸出整流回路組成，需要正確布線(xiàn)以防止噪聲過(guò)大。

布置電源時(shí)，要特別注意回路的周長(cháng)和走線(xiàn)的長(cháng)度和寬度。保持環(huán)路周長(cháng)較小可消除環(huán)路作為低頻噪聲天線(xiàn)工作的可能性。從電路效率的角度來(lái)看，更寬的走線(xiàn)還為電源開(kāi)關(guān)和整流器提供了額外的散熱。您可以使用主動(dòng)布線(xiàn)引擎來(lái)實(shí)現人工布線(xiàn)結果并安排您的組件以允許開(kāi)關(guān)電流回路在同一方向上傳導。隨著(zhù)電流回路以相同方向傳導，控制電路耦合到布局中的特定位置。因此，磁場(chǎng)不能沿著(zhù)位于兩個(gè)半周期之間的走線(xiàn)反向并產(chǎn)生輻射 EMI。

Altium Designer 的布線(xiàn)工具可幫助您輕松地為高電流/高電壓線(xiàn)放置多邊形，或者為數據和控制線(xiàn)放置更細的走線(xiàn)。 

在處理電源布局時(shí)，保持處理高開(kāi)關(guān)電流的走線(xiàn)短、直且粗。IPC 標準可用于計算推薦的走線(xiàn)寬度，但經(jīng)驗法則是每安培的最小寬度為 15 密耳。 

SMPS 內的 EMI 濾波器可抑制由直流輸入和輸出接線(xiàn)中傳導的高頻電流引起的高頻噪聲。您可以使用庫和 Altium Content Vault 中的集成組件定價(jià)和可用性以及數據表鏈接來(lái)設計提供最佳結果的過(guò)濾器。 

此 PCB 布局中的組件靠得很近，并使用短而直接的走線(xiàn)布線(xiàn)。

SMPS 交流電壓節點(diǎn)的 PCB 布局技巧

根據 SMPS 配置，交流電壓節點(diǎn)存在于功率 MOSFET 的漏極或 BJT 的集電極和輸出整流器的陽(yáng)極。這些節點(diǎn)中的每一個(gè)都可以具有高交流電壓。例如，MOSFET 漏極處的峰峰值交流電壓可以測量為輸入電壓的一到兩倍。漏極通過(guò)絕緣體固定在散熱器上，接地散熱器為電容耦合噪聲提供了路徑。您可以使用 Altium Designer 中的 PCB 布局工具將易受影響的信號放置在同一側，而不是在嘈雜的交流節點(diǎn)下方。此外，您可以交叉影線(xiàn)位于節點(diǎn)下方的任何接地平面以消除噪聲。

表面貼裝環(huán)境具有較小的電容值，但會(huì )將噪聲耦合到敏感信號中。由于這些因素，您的布局還需要解決交流節點(diǎn)電壓電容耦合到散熱器或相鄰接地層的可能性。在布局表面貼裝 PCB 設計時(shí)，使節點(diǎn)足夠大以用作電源開(kāi)關(guān)或整流器的散熱器。一些多層設計通過(guò)使 AC 節點(diǎn)下方的所有層與 AC 節點(diǎn)相同并使用鍍通孔連接這些層來(lái)增加設計的熱質(zhì)量。

Altium Designer 為您提供完整的設計和布局工具集

Altium Designer 中完整的 PCB 設計和布局功能為您提供了創(chuàng )建可靠和安全電源系統所需的工具。您還可以創(chuàng )建和仿真重要的電源電路拓撲和 EMI 濾波器，它們可用于任何應用，從大功率直流系統到高頻交流系統。Altium Designer 的 PDN Analyzer 插件為您的電路直流電流和電壓分析提供了最佳資源。為開(kāi)關(guān)模式電源設計 PCB 布局似乎令人生畏，但 Altium Designer 提供的工具可將電源的復雜性分解為易于理解的任務(wù)。

Altium Designer 為您提供將您的想法變?yōu)楝F實(shí)所需的一切。您可以在 Altium Designer 中構建從簡(jiǎn)單的 MOSFET 電路到高級 RF 電源設計的任何內容。 

Altium Designer 中的 PDN Analyzer 擴展使用戶(hù)能夠通過(guò)行業(yè)標準的直流電源完整性仿真來(lái)分析他們的電源輸出。 

所有 Altium Designer 用戶(hù)都可以通過(guò) Altium 365 平臺共享他們的電源設計。設計團隊使用 Altium 365 在安全的云環(huán)境中保持生產(chǎn)力并共享設計數據。 

使用最佳 CAD 工具為 Altium Designer 中的任何應用程序創(chuàng )建您的 PCB 布局。

Altium 的目標一直是在統一的設計界面中為用戶(hù)提供流線(xiàn)型的設計體驗。Altium Designer 中的原理圖編輯器、PCB 編輯器、SPICE 仿真包、布線(xiàn)功能和仿真工具為您提供構建安全、可靠、無(wú)噪聲電源所需的一切。當您需要一整套組件創(chuàng )建和管理工具時(shí)，請使用業(yè)界最佳的 ECAD 實(shí)用程序來(lái)創(chuàng )建和模擬您的設計。