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PCB電源設計實例

2023-07-10 10:20:19來源：電路一點通

今天給大家分享的是電源設計實例，一步一步教你PCB設計。

先從交換節點開始。從那里開始放置輸入電容。然后，輸出電容。接下來是EMI 降低緩沖濾波器，然后是實際控制 IC和很容易被忽略的柵極驅動路徑。最后要放置的組件是信號電平或模擬部分。

(資料圖)

一、典型的同步降壓控制器

典型的同步降壓控制器

上圖為典型的數據表首頁示意圖。與大很多理圖一樣，顯示的引腳注釋并不代表實際的 IC，它是一個 TSSOP-20。所以在看Datasheet的時候，還是要多注意一點，不能只看這一個示意圖。

二、實際同步降壓控制器示意圖

實際同步降壓控制器示意圖

這里可以明顯看到和上面的不一樣了。元件在PCB上的電氣連接方式有許多名稱，不存在標準的一個命名。我一般會先放置開關節點，通常是電感或者變壓器繞組以及1-2個電源開關，大電阻 RCS 用于檢測電流，它與同步 MOSFETQ2 串聯。

下面就會分步教大家來設計PCB。

第1步：切換節點

切換節點

開關節點是一個很好的靜電輻射器，因為它以開關頻率在 B 和地之間擺動。位移電流流動，對自由空間中開關節點和接地平面之間的電容進行充電和放電。一般來說，如果這個節點的面積最小化會更好。

我一般從構成開關節點的功率開關二極管和電感開始，放置在使它們的路徑盡可能靠近的位置。然后，放置了一個剛好覆蓋所有三個路徑的實體形狀。

對于除降壓穩壓器以外的其他穩壓器，通過查看高電位擺動的任何節點，尋找方法來最大限度地減少對世界其他地方的電容。在許多類型中，如反激式或 SEPICS，將有兩個開關節點，每個開關節點都需要得到處理。

第 2 步：輸入電容組

輸入電容組

輸入電容、高側 FET 和低側 FET 之間的環路需要最小化，這是 Buck 設計中最關鍵的路徑。這里一定要最大限度地減少輸出尖峰。并且一定要使用大銅多邊形作為與 MOSFET 的主電源連接，這在電氣上和熱學上都會有幫助（同樣這個方法也適用于過孔。）通常越多越好。

通孔還充當電路板背面和內層的熱通道。如果可以的話，用焊料填充。雖然在電學或熱學方面不如銅好，但焊料比空氣好得多。

那個靠近FET的小電容Cin2，是低值 MLCC，通常為 100 nF，主要是為了在降低最高頻率的噪聲和諧波。低值 MLCC的電容值和物理尺寸都很小，可以最大限度地降低 ESR 和 ESL。在 Cin2 之后，有了更大的 MLCC ，降低了開關頻率的輸入電壓和電流紋波以及更低的諧波。這個電容可以抑制潛在的振蕩并在瞬變期間維持輸入電壓，不過都是低的開關頻率事件，因此這個電容可以放的更遠一點。

第 3 步：在緊密環路中獲得緩沖器

在緊密環路中獲得緩沖器

緩沖器濾波器可以降低高頻噪聲并改善輻射。因為緩沖器處理很高的頻率噪聲，通常高于 10 兆赫茲。所以它們得以最小的電感進入緊密環路，不然將無法過濾。

第4步：輸出電容組

輸出電容組

這里必須要注意，在完整的布局之前，我們必須要注意有關低側 FET、陽極或二極管。這是一個噪聲節點，不應直接連接到地平面。這樣做會將噪聲注入地平面。這個就好比一群吵鬧的孩子在寬闊的操場上。

如果你看到降壓穩壓器輸出出現尖峰，那么這里連接可能不正確。在理想的設計中，降壓穩壓器的輸出幾乎沒有尖峰。通常，出現在輸出端的任何尖峰都是通過地軌傳導的。

仔細注意低側開關接地之間的路徑，回到輸入電容，輸出尖峰幾乎可以消除，或者至少大大減少。電感將高頻電流和這些元件保持在最低限度。

最小的輸出電容 Co5 恰好靠近輸出連接器或負載（如果負載位于同一 PCB 上），以在高頻噪聲干擾負載之前將其清除。如果高頻噪聲進入輸出線束，它會將它們作為天線進行輻射。

第 5 步：定位 IC

定位 IC

布局良好的IC會將噪聲引腳（如柵極驅動器）與 IC 一側的根帶引腳組合在一起。然后，敏感的模擬引腳，如對反饋節點的控制或軟啟動，則位于另一側。

第6步：柵極驅動電路

柵極驅動電路

與外部 MOSFET 的柵極連接是非常高的 DIDD 路徑，因此需要仔細考慮。具有大量柵極電荷的大 FET 會產生數安培的峰值電流，此處的長連接會顯著減慢 FET 開關的上升和下降時間。這對于降壓應用中的高端 FET 尤為重要，因為過慢的邊沿會增加開關損耗。

嘗試將柵極到驅動器的連接直接放在源極到驅動器的接地連接之上，以盡量減少由此產生的環路所包圍的面積，并使用至少 0.3 毫米寬的走線。

我通常是通過兩層布線柵極驅動器，所以我將至少兩個并聯的過孔防止在該路徑中的寄生電感中。

第7步：完成高端柵極驅動路徑

完成高端柵極驅動路徑

有很多設計在從柵極驅動引腳到 MOSFET 柵極的短、寬、低電感連接方面做得很好，但它是高側 MOSFET 或低側，返回路徑經常被忽略。

對于高端 FET，返回路徑是開關節點。出于散熱原因，開關節點通常有大量的散熱過孔，可用于將驅動電流帶回原處。有時，你可以直接在發送路徑下運行返回路徑。由于我是在同一頂層布線，所以我選擇將它們并聯放置在一起，就像差分對一樣。

通常，還有一個引導程序，是為 n-MOSFET 產生完全驅動的電荷泵，它的二極管和電容也需要短的、低電導環路。

第8步：完整的低側柵極驅動路徑

完整的低側柵極驅動路徑

低側或同步 MOSFET 柵極驅動的返回路徑通過系統地。這里需要運行一個單獨的跟蹤。為此，許多控制和穩壓器 IC 都有專用的接地引腳，通常稱為 P 接地，有時甚至更直接地稱為門回路或類似名稱。所有這些路徑和接地部分之間的物理連接都在 IC 下方。在層間切換時至少使用兩個過孔，并盡可能靠近發送路徑運行這些返回路徑。

第 9步：差分電流檢測

差分電流檢測

不是每個控制 IC 都有差分感應線，你至少得感應出一個主電流。還有一個問題，就是弟電流檢測IC的負極接地。幾乎不可能將差分感應線與感應電阻布線在同一層，因此它們必須通過過孔。這次不需要并聯過孔，因為電流在RAM范圍內，但是任何實心接地層都會連接到該負側過孔，同時會導致你PCB走線短路。

通常需要將控制器 IC 的 A 地和 P 地連接起來，即模擬地和電源地，有時稱為信號地和電源地，或簡稱為信號地和地。

第 10步：放置低功率組件

放置低功率組件

如果你有專門的頂部接地形狀的空間，你可以將其用作所有接地參考控制電路、反饋分壓器、軟啟動和控制環路的返回。如果這樣的形狀不適合，可以使用菊花鏈從 AGND 引腳連接到各種小信號接地的走線。如果你想通過多層布線此走線，則布局軟件會出現問題，因為它想要將過孔連接到內部接地層。而且會引出想要隔離這條痕跡的全部要點。所以，我建議把它放在頂層。

一種方法是提出一個單獨的 AGND 符號。你通過多層將所有信號接地點連接在一起，而無需連接到內部平面。但是當連接 AGND 和 PGND，或 AGND 和 PGND 網絡時，很可能會產生 DRC 錯誤。

第 11 步：反饋跟蹤

反饋跟蹤

保持最高阻抗走線較短，因為它們最有可能拾取雜散場。因此，例如，反饋分壓器中的兩個電阻應位于非常靠近穩壓器反饋引腳的位置，而不是電源輸出附近。從分壓器頂部到電源輸出的連接是 Vout，這是一個非常低的阻抗連接，因此不會受到噪聲拾取的影響。相反，放大器輸入是一個非常高的阻抗輸入，并且非常容易受到雜散場感應噪聲的影響。

有一種趨勢是想讓敏感節點變大，還錯誤地認為這種方法可以提供一些屏蔽的效果，但實際情況正好是相反的。不僅增加了自由空間的電容，并增加了噪聲拾取的可能性。使敏感走線變窄并盡可能短。

第12步：用銅淹沒未使用的區域

用銅淹沒未使用的區域

淹沒未使用的 PCB 區域的技巧是確保連接到安靜的節點。

第13步：重新審視切換節點

重新審視切換節點

開關節點非常重要，我們在底層的首要任務是審查熱管理和電氣噪聲之間的這一關鍵.特別是，低側 MOSFET 依靠一些單體銅掩膜來保持冷卻，因為它的漏極連接到開關節點，而 MOSFET 的大部分熱量都從漏極散發出來。這個封裝的占位面積是一個熱增強型 SO8，內置 12 個熱過孔。這里可以在底層放置一個多邊形，其形狀和大小與頂層多邊形相同，剛剛覆蓋電感焊盤和兩個 MOSFET 的那個。良好的熱通孔矩陣將有助于將熱量吸收到底層。即使在沒有主動冷卻的設計中，對流也很可能使一些空氣穿過 PCB 底部。

第14步：關于散熱孔

散熱孔

這是一個PCB 封裝，帶有一個大散熱片。當直接放置在熱源下方時，熱通孔效果最佳。但同樣，這需要與 PCB 制造商進行良好的溝通。我的個人經驗是 0.25 毫米的孔與 0.5 毫米的外徑相結合，是一個很好的方案。這些尺寸孔偏小，無法吸走太多焊料，但又不算微孔，鉆孔成本更高。我通常將它們隔開 1 毫米或 1.5 毫米。

第 15步：用 GND 淹沒底部

用 GND 淹沒底部

在設計完成前關閉除接地層之外的所有層是一個非常好的技巧，并確保在完成所有信號和電源線走線的鋪設后仍然具有良好的接地平面完整性。在許多情況下，過孔是不可避免的，但如果可能的話，應避免將其作為電源路徑中的載流元件。只有當它們可以用于在設計中引入冗余銅區域時，才是比較可靠的。例如與外部走線區域平行連接的內層。過孔被用作熱管，因為它們能夠將頂部產生的熱量傳導到 PCB 的背面。可以連接到熱平面區域的過孔越多，可以實現的散熱就越多。

使用大量熱過孔時需要注意的一點是，內部接地層可能會被嚴重切斷，最終幾乎沒有有用的電流路徑。這特別有可能發生在非常小的電路板上，例如穩壓器模塊。

第16步：回顧檢查

回顧檢查

許多電路都有接地連接，當某個區域被淹沒時不應將其短路。通常可以防止這種情況發生，建議手動布局。接地區域（這個三角形）與低側 FET 柵極驅動的返回路徑以及差分電流檢測線的負連接保持分離。

三、四層 PCB – 如何處理？

4層PCB

上圖顯示了4層PCB。雖然有4層，但我還是連接頂層的所有電源焊盤，并用接地、VIN 和 Vout 的銅澆注淹沒任何未使用的區域。然后，我在第二層上放置了一個實心地平面，就在頂層下方。第三層我在 VIN 和 Vout 之間分開，但有時我會在這一層放置信號層走線。第四層保留為地面，很多信號電平連接都在這一層。這樣做是因為如果這些連接位于內部層上，則調試電路會變得很難。

1、內部平面/第 1 層應為 GND

內部平面/第 1 層應為 GND

稍微靠近頂層會增加注入頂層的 VIN 和 Vout 多邊形中第二層地之間的電容。這些小電容非常適合過濾高頻噪聲，因為它們通常在 100 pF 到 1nF 的范圍內。但如果是開關節點，我就會考慮打亂我的第二層地平面。

2、VIN 和 Vout 的內部平面/第 2 層

VIN 和 Vout 的內部平面/第 2 層

與底層一樣，我放置了一個與頂層和底層相同大小的形狀，并用大量的散熱孔連接它。其他所有東西都是接地的，只被信號跡線或熱管理的過孔分開。添加這些大的連續形狀會增加更多的自由容量，無論是在左側的 VIN還是在右側的之間。它們還有助于傳播和散熱。開關節點的切口有助于從高側 FET 和漏極排出熱量，而不會讓噪聲以電容方式耦合到其他平面。

四、單面布局

單面布局

單面 PCB 在成本有限的 AC到 DC穩壓器中非常常見。比如你的手機充電器。但金屬芯 PCB 或 MCPCB 成本的快速下降意味著越來越多的 LED驅動電路與 LED 一起直接放置在 MCPCB 上。單層 MCPCB 成本的暴跌也導致放置在鋁芯多點板上的功率元件數量增加。這通常意味著在一層中布線所有內容，并且通常意味著很少或沒有過孔。

0 歐姆分流器通常用于將一個連接跨接在另一個連接上，但這些會同時增加電阻和電感。所以，回到大開關電流的分析。避免在這些路徑中放置分流器。基本上，沒有與電源開關串聯的分流器，也沒有與陽極或二極管之間的接地連接串聯，

五、元件放置策略——經驗法則

你可以將電感與電感器串聯，但要在安靜（輸出）端進行，而不是噪聲（開關節點）端

跡線寬度：對于 35 μm 厚度的銅，每安培 0.75 毫米；對于 17.5 μm，每安培 1.5 毫米

每個過孔 1 A 的 DC MAX 是一個很好的設計目標

旁路帽的過孔應與焊盤相切，最好每個焊盤兩個

與電感串聯的走線電感通常不是什么大問題。它只會增加路徑中的總電感。相反，您不想增加與電感器并聯的大量電容，可能會引起問題。如果你必須添加一些與現有電感器串聯的電感器，通常最好使輸出路徑更長一些，這樣就可以最大限度地減小噪聲開關節點的尺寸。

使用過孔將旁路帽連接到平面，每個焊盤至少需要一個連接切線的過孔，每個焊盤兩個更好，三個稍微好一點。

整個電路板布局經常被提到的最小化雜散電感，將每個高 DIDT 路徑視為高頻 RF連接，快速邊緣將具有數十兆赫茲的頻率分量，可能達到兆赫茲，布局時永遠不要忘記這一點。

審核編輯：劉清

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責任編輯：hnmd003