开关电源PCB设计讲解，8个PCB设计技巧，图文+案例，带你轻松搞定
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今天是关于：开关电源PCB设计。
对于设计人员来说需要了解开关电源PCB布局所涉及的复杂技术细节和功能要求。布局决定了对电磁感染（EMI）的敏感性、热行为、电源完整性和安全性。良好的布局可以确保高效率的功率转换和传输到负载，同时允许热量从布局的热组件传输出去，并且确保电子系统周围的低噪声耦合。
布局选择不当会引起在高电流水平下出现的问题，并且随着输入到输出电压之间的巨大差异变得明显。不良 PCB 布局常见的电源问题包括高输出电流时失调、输出和开关波形噪声过大以及电路不稳定。
这里就来讲一下怎么才能构建一个安全可靠的开关电源PCB设计。
开关电源PCB设计
一、什么是开关电源？
开关模式电源是通过在电抗电路中使用开关功率元件在大电流整流交流电和高电压之间进行转换的。与典型的 LDO 调节器相比，这些组件是非线性的，并且通常使用反馈来维持调节。在 LDO 中，通过误差放大器的饱和来维持调节，产生在 PCB 布局中被视为热量的电阻损耗。
虽然从调节和效率的角度看，开关稳压器是首选，但是不方便布局，因为涉及到更多的组件，其中一些组件还具有特别大的寄生效应，如果布置不当，可能容易受到噪声问题的影响。如果要开始电源布局，可以参考下面这个开关模式电源PCB布局。
二、开关电源PCB布局
这里有总结一些规律，可以看下面：
- 通过正确定义接地、在 PCB 布局中放置短路径以及在 PCB 中安排电隔离部分来保持较低的 EMI，这样就没有噪声耦合。
- 如果布局中存在噪声、需要包络跟踪等功能或特定噪声源导致设计出现问题，需要提供适当的输入和输出EMI 滤波器电路。
- 使用大量的铜来提供远离重要组件的散热路径，如果需要，可以考虑采用独特的外壳设计，以及热组件上的散热器或风扇。
- 放置快速开关、高电流电路，如 MOSFET 阵列，以便在开关事件期间设计中没有寄生振荡。
三、定义接地
第一个要考虑的开关模式电源 PCB 布局是如何在布局中定义接地。在设计开关电源电路时，请记住存在五个接地点，这些可以分成不同的导体以确保电流隔离。主要是以下：
- 输入大电流源地
- 输入大电流电流回路接地
- 输出大电流整流地
- 输出大电流负载地
- 低电平控制地
接地连接中的每一个都可能存在于物理上独立的导体中，具体取决于转换器、整流器或稳压器电路中的电流隔离需求，如果接地电容耦合，电源电路可能会产生共模噪声，例如通过附近的导电外壳通常会发生这种情况。
PCB中的接地区域应在隔离元件的每一侧明确定义，例如：如果出于某种原因，接地确实需要桥接用来哦消除一些直流偏移，Y级电容是最佳选择，因为可以提供高频滤波并消除接地区域之间的直流偏移。
四、Y 级电容可用于在某些开关转换器应用中桥接接地
Y级电容
每个大电流接地都用作电流环路的一个分支，但其布局应为电流提供低阻抗返回路径。这可能需要多个通孔回到接地层，以允许大电流和低等效电感。
这些点和它们相对于系统接地的电位成为测量电路不同点之间传导的直流和交流信号的点。由于需要防止大电流交流接地的噪声逸出，因此适当的滤波电容的负极端子用作大电流接地的连接点。
定义地面区域的最佳做法是使用大平面或多边形浇筑。这些区域提供低阻抗路径以消散直流输出的噪声，并且它们可以处理高返回电流。它们还在需要时提供远离重要组件的热传输路径。在两侧放置接地层可吸收辐射 EMI、降低噪声并减少接地环路误差。再用作静电屏蔽并消散涡流中的辐射 EMI 时，接地层还将电源走线和电源层组件与信号层组件分开。
- 特别是在使用开关电源时，设计中的接地区域可以根据其功能赋予多个名称。在设计中定义接地区域时要小心，并确保将它们正确连接在一起。
- 接地层在电源 PCB 布局之外的系统中很重要。确保在不影响装配的情况下将连接定义为低阻抗。
- 共模噪声和传导纹波是 PCB 布局中的主要噪声源，当噪声非常大时，它们会导致设计无法通过 EMI 测试。
电源和接地层提供低阻抗连接，同时提供远离系统重要部分的散热路径。
PCB布局
接地是开始设计的重要位置，因为它将决定 PCB 布局的抗噪性和可布线性。然而，这并不是电源设计中的唯一考虑因素。开关动作和 EMI 抑制内置于电源中，需要在 PCB 中明确定义。
五、在哪里进行接地连接？
开关电源控制器精确调节输出电压的能力取决于低电平控制地的连接。
- 当你使用集成电路、输入电容、输出电容和输出二极管时，请确保组件连接到接地层。
- 接地连接到控制 IC 及其相关电路测量交流电流、直流电流、输出电压和其他主要参数的点。
- 将低电平接地连接到电流检测电阻器或输出分压器的下侧可防止控制电路检测共模噪声。
六、设计开关动作
开关电源通过在截止工作状态和饱和工作状态之间快速切换传输单元并向输出负载提供恒定功率来工作。截止时，传输单元两端存在高电压，但没有电流流动。饱和时，高电流流过传输单元，压降非常小。由于半导体开关从直流输入电压产生交流电压，因此开关电源可以使用变压器升高或降低电压，然后在输出端将电压过滤回直流。
脉宽调制 (PWM) 开关电源在正向模式或升压模式下运行。正向模式电源在输出端有一个 LC 滤波器，它根据从滤波器获得的输出的伏特时间平均值创建直流输出电压。为了控制信号的电压时间平均值，开关电源控制器改变输入矩形电压的占空比。
七、降压转换器与升压转换器
当电源开关打开时，升压转换器模式电源在输入电压源两端直接连接一个电感。电感电流从零开始增加并在关闭电源开关的同时达到峰值。输出整流器钳位电感输出电压并防止电压超过电源输出电压。当存储在电感磁芯中的能量传递到输出电容时，电感的开关端子回落到输入电压电平。
同时，降压转换器模式电源使用相同的组件，但采用不同的拓扑结构以将电感的反电动势钳制在低于输入电压的水平。
开关动作提供与升压转换器相同的效果，其中输出电流振荡以与充电/放电电容器竞争，从而实现输出功率的调节。两种类型的稳压器/转换器拓扑都会允许开关噪声传播到设计中的输出端口，这可以看作是输出上的高频纹波。
降压和升压转换器布局可以承载大电流，需要大的多边形来容纳热量并防止功率损耗。
PCB设计
八、电源布线有助于确保低噪音运行
开关电源传导高频噪声，直到噪声频率达到开关频率的大约 100 倍。然后，噪声频率以每十年 -20 至 -40 dB 的速率下降。由于开关稳压器在“开”和“关”电源状态下运行，因此具有锐边沿的大电流脉冲在开关电源电路中流动，从而产生 EMI。ON 和 OFF 电源状态之间的转换会产生 EMI，如果电源布局中的电流环路太大，可能会在系统的其他地方引起 EMI。开关电源电路由电源开关回路和输出整流器回路组成，需要正确布线以防止噪声过大。
布置电源时，要特别注意回路的周长和走线的长度和宽度。保持环路周长较小可以消除环路作为低频噪声天线工作的可能性。从电路效率的角度来看，更宽的走线还可以为电源开关和整流器提供额外的散热。你可以使用主动布线引擎来实现人工布线，可以让你的组件以允许开关电流环路在同一方向上传导。由于电流回路沿相同方向传导，控制电路耦合到布局中的特定点。因此，磁场不能沿着位于两个半周期之间的迹线反转并产生辐射 EMI。
- 你可以使用PCB设计工具轻松地为高电流/高压线放置多边形，或为数据和控制线放置更细的走线。
- 在进行电源布局时，处理高开关电流的走线要短、直且粗。IPC 标准可用于计算推荐走线宽度，但根据经验，最小宽度为每安培 15 密耳。
- 开关电源中的 EMI 滤波器可抑制由直流输入和输出布线中传导的高频电流引起的高频噪声。
此 PCB 布局中的组件保持靠近并使用短而直接的走线进行布线。
SMPS 交流电压节点的 PCB 布局技巧
根据 SMPS 配置，交流电压节点存在于功率 MOSFET 的漏极或 BJT 的集电极以及输出整流器的阳极。这些节点中的每一个都可以具有高交流电压。例如，MOSFET 漏极处的峰峰值交流电压可以测量输入电压的一到两倍。排水管通过绝缘体螺栓连接到散热器，接地的散热器为电容耦合噪声提供了路径。
表面贴装环境的电容值较小，但会将噪声耦合到敏感信号中。由于这些因素，还需要解决交流节点电压电容耦合到散热器或相邻接地层的可能性。在布置表面贴装 PCB 设计时，使节点足够大，以用作电源开关或整流器的散热器。一些多层设计通过使 AC 节点下方的所有层与 AC 节点相同并使用镀通孔连接这些层来增加设计的热质量。
PCB布局
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