开关电源的PCB的设计规范

在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定。特别是面临如今性能强大的开关稳压器和电源越来越紧凑，开关电源的开关频率越来越高。这使得PCB的设计越来越困难。本文就这一难题提出一些建议，希望对电子设计师们有所帮助。
　　考虑一个将24V降为3.3V的3A开关稳压器。设计这样一个10W稳压器初看起来不会太困难，设计人员可能很快就可以进入实现阶段。不过，让我们看看在采用Webench等设计软件后，实际会遇到哪些问题。如果我们输入上述要求，Webench会从若干IC中选出“Simpler Switcher”系列中的LM25576(一款包括3A FET的42V输入器件)。该芯片采用带散热垫的TSSOP-20封装。
　　Webench菜单中包括了对体积或效率的设计优化。设计需要大容量的电感和电容，从而需要占用较大的PCB空间。Webench提供如表1的选择。

　　
　　表1：
　　值得注意的是，最高效率是84%，且此最高效率是当输入-输出间的压差很低时实现的。此例中，输入/输出比大于7。一般情况下，可以用两级电路来降低级与级之间的比率，但通过两个稳压器实现的效率不会更好。

　　
　　图1：通过两个稳压器实现的效率不会更好。
　　接着，我们选PCB面积最小的最高开关频率。高开关频率最可能在版图方面产生问题。Webench可以生成带全部有源和无源器件的电路图。

　　
　　图2：简化的开关电源电路图。
　　图2所示的简化电路图对了解基本情况帮助甚大。看一看电流通路：把FET在导通状态下的回路标记为红色；把FET在截至状态下的回路标记为绿色。我们可以观察到两种不同情况：有两种颜色的区域和仅一种颜色的区域。我们必须特别关注后一种情况，因此时电流在零和满量程之间交替变化。这些是具有高di/dt的区域。
　　高di/dt的交变电流将在PCB导线周围产生显着的磁场，该磁场将成为该电路内其它器件甚至同一或邻近PCB上其它电路的主要干扰源。假定这不是交变电流，那么公共电流通路并不是太重要，di/dt的影响也小得多。另一方面，随着时间变化，这些区域将承载更大负载。本例中，从二极管阴极到输出以及从输出地到二极管阳极就是公共通路。当输出电容器充放电时，该电容会产生很高的di/dt。连接输出电容的所有线段必须满足两个条件：因为电流大，因此它们的宽度要宽；为了最小化di/dt的影响，它们又必须尽量短。
　　PCB版图设计要点
　　实际上，设计人员不应采用把导线从Vout和地引至电容的方法实现所谓的传统版图。这些导线将承载很大的交变电流，因此将输出和地直接连至电容端子是个更好的方法。这样交替变化的电流仅表现在电容上。连接电容的其它导线现在承载的几乎是恒定电流，因而与di/dt相关的任何问题得到了很好的解决。地是另一个经常被误解的难题。简单地在“第2层”放置一个地平面，并将全部地线连接到这一层不会有很好的效果。

　　
　　图3：将输出和地直接连至电容端子是个更好的方法。
　　让我们看看为什么。我们的设计例子有高达3A的电流必须从地流回源(一个24V汽车电池或一个24V电源)。在二极管、COUT、CIN和负载的地连接处会有较大电流，而开关稳压器的地连接流经的电流小。同样情况也适用于电阻分压器的参考地。若上述全部地引脚都连至一个地平面，将出现地线反弹现象。虽然很小，但电路中的敏感点(如借以获得反馈电压的电阻分压器)将不会有稳定的参考地。这样，整个稳压精度将受到极大影响。实际上，隐藏在第二层地平面中的源还会产生“振铃”现象，而且非常难以定位。
　　此外，大电流连接必定用到连接地平面的过孔，而过孔是另一个干扰和噪声源。把CIN地连接作为电路输入和输出侧所有大电流地导线的星型节点是个较好的解决方案。这个星型节点连接地平面和两个小电流地连接(IC和分压器)。