開關穩(wen)壓(ya)器設(she)計的(de)PCB布(bu)局布(bu)線(xian)
關鍵(jian)字：開關電源 開(kai)關(guan)穩壓(ya)器 PCB布(bu)局 PWM
開關(guan)模(mo)式電源用於將個電(dian)壓(ya)轉換為另個電(dian)壓(ya)。這種電源(yuan)的(de)效率通(tong)常很，因此(ci)，在(zai)許多(duo)應(ying)用中，它(ta)取代(dai)了線(xian)穩壓(ya)器。
開(kai)關(guan)頻率與(yu)開關轉(zhuan)換
開關模(mo)式電源以的(de)開(kai)關(guan)頻率工(gong)作。開(kai)關(guan)頻率既可(ke)以是固定(ding)的(de)（例(li)如在(zai)PWM型中(zhong)），也(ye)可以根(gen)據(ju)某(mou)些(xie)因素(su)而變化(hua)（例如在(zai)PFM或(huo)遲滯型中(zhong)）。無論(lun)何(he)種情況(kuang)，開關模(mo)式電源的(de)工(gong)作原(yuan)理，都(dou)在(zai)於它(ta)有(you)的(de)開(kai)啟時間Ton和(he)的(de)關(guan)閉(bi)時間Toff.圖(tu)1顯示(shi)了個(ge)5占(zhan)空(kong)比的(de)開(kai)關(guan)周期。這意(yi)味著(zhe)，在(zai)完整周期T的(de)5時(shi)間裏(li)，轉換器中有(you)某(mou)電(dian)流；在(zai)另外(wai)5時(shi)間裏(li)，轉換器中有(you)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)流。
當(dang)我們(men)考慮系統(tong)噪(zao)聲(sheng)時，實際(ji)的(de)開(kai)關(guan)頻率（換言(yan)之，周期長度T）並(bing)不是很重要。如果(guo)它(ta)在(zai)系統(tong)的(de)敏(min)感信號(hao)頻率範(fan)圍內，開關(guan)頻率或(huo)其(qi)諧波(bo)可能(neng)會(hui)影響系統(tong)。但般(ban)而言(yan)，開(kai)關頻率並(bing)不是影響系統(tong)的(de)zui大因素(su)。
在(zai)開關(guan)模(mo)式電源中，真正重(zhong)要的(de)是開關轉換的(de)速(su)度。在(zai)圖(tu)1的(de)下(xia)半部(bu)分(fen)，我們(men)可以看(kan)到開(kai)關轉換在(zai)時間標(biao)度上(shang)的(de)放(fang)大圖(tu)。在(zai)周期T為(wei)2us的(de)時(shi)間標(biao)度上(shang)，對(dui)於500kHz PWM開關(guan)頻率，轉(zhuan)換看起來(lai)像是條垂直線(xian)，如圖(tu)1的(de)上(shang)半部(bu)分(fen)所示(shi)。但放大後，如圖(tu)1的(de)下(xia)半部(bu)分(fen)所示(shi)，我們(men)可以看(kan)到，開(kai)關轉換通(tong)常需要(yao)30到90ns的(de)時(shi)間。
為(wei)什麽(me)良好的(de)PCB布(bu)局布(bu)線(xian)重要(yao)？
每2.5cm PCB走(zou)線(xian)具有(you)大約20nH的(de)走(zou)線(xian)電感。確切的(de)電(dian)感值(zhi)取決於(yu)走(zou)線(xian)的(de)厚度、寬(kuan)度和(he)幾何(he)形狀(zhuang)，但根據(ju)經驗(yan)，般(ban)取20nH/2.5cm切實可(ke)行(xing)。假設(she)個降壓(ya)穩壓(ya)器提(ti)供(gong)的(de)輸(shu)出電流，我們(men)將會看(kan)到電(dian)流從0A切換到.當(dang)開關電流很大且(qie)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換時間很(hen)短時，我(wo)們(men)可以利(li)用下面的(de)公(gong)式，計(ji)算微小(xiao)的(de)走(zou)線(xian)電感會產(chan)生(sheng)多(duo)大的(de)電(dian)壓(ya)偏(pian)移：
由(you)此(ci)可見，2.5cm的(de)走(zou)線(xian)電感就能(neng)產(chan)生(sheng)相當(dang)大的(de)電(dian)壓(ya)偏(pian)移。這種偏(pian)移甚至(zhi)常常導(dao)致(zhi)開(kai)關(guan)模(mo)式電源失效。將輸(shu)入電容(rong)放(fang)在(zai)離(li)開關(guan)穩壓(ya)器輸(shu)入引腳幾厘米的(de)地(di)方(fang)，通(tong)常就會(hui)導(dao)致(zhi)開(kai)關(guan)電源不能(neng)工(gong)作。在(zai)布(bu)局布(bu)線(xian)不當(dang)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)，如果(guo)開(kai)關電(dian)源仍能(neng)工(gong)作，它(ta)將產(chan)生(sheng)大的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)（EMI）。 在(zai)上(shang)面的(de)公(gong)式中(zhong)，我們(men)*能(neng)改(gai)變的(de)參數(shu)是走(zou)線(xian)電感。我們(men)可以使(shi)走(zou)線(xian)盡可(ke)能(neng)短，從而降低走(zou)線(xian)電感。較厚的(de)銅(tong)線(xian)也(ye)降低電感。由於(yu)負載所需的(de)功(gong)率固(gu)定(ding)，因此(ci)我(wo)們(men)無法改(gai)變電流參數(shu)。對(dui)於轉換時間而言(yan)，我(wo)們(men)可以改(gai)變，但般(ban)不(bu)想改(gai)變。減(jian)慢(man)轉換時間可(ke)以降低產生(sheng)的(de)電(dian)壓(ya)偏(pian)移，從而降低EMI,但是開關損(sun)耗卻會(hui)提(ti)，我(wo)們(men)將不得(de)不(bu)以(yi)較(jiao)低的(de)開(kai)關(guan)頻率並(bing)利用昂貴(gui)而龐大的(de)電(dian)源(yuan)器件(jian)工作。
找(zhao)到交(jiao)流電流走(zou)線(xian)
在(zai)開關(guan)模(mo)式電源的(de)PCB布(bu)局布(bu)線(xian)中，zui重(zhong)要的(de)準(zhun)則(ze)是以某(mou)種方式(shi)使(shi)交流走(zou)線(xian)盡可(ke)能(neng)短。如果(guo)能(neng)認(ren)真遵(zun)守這準(zhun)則，良好的(de)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局布(bu)線(xian)可以(yi)說已(yi)經成功了8.為(wei)了找(zhao)到這些(xie)在(zai)很短的(de)時(shi)間（轉(zhuan)換時間）內將電(dian)流從"滿(man)電流"變為"無(wu)電(dian)流"的(de)交(jiao)流走(zou)線(xian)，我們(men)將原理圖(tu)繪制(zhi)了三次(ci)。如圖(tu)2所示(shi)，它(ta)是個簡單的(de)降壓(ya)型開(kai)關(guan)模(mo)式電源。在(zai)頂(ding)部(bu)的(de)原(yuan)理圖(tu)中，我(wo)們(men)用虛(xu)線(xian)畫出(chu)了開(kai)啟時間內電流的(de)流動。在(zai)中間的(de)原(yuan)理圖(tu)中，我(wo)們(men)用虛(xu)線(xian)畫出(chu)了關(guan)閉(bi)時(shi)間內電流的(de)流動。底部(bu)的(de)原(yuan)理圖(tu)特(te)別(bie)值(zhi)得(de)註(zhu)意(yi)。這裏(li)，我們(men)畫出了電(dian)流從開啟時間變為關(guan)閉(bi)時間的(de)走(zou)線(xian)。
圖(tu)2底部(bu)原(yuan)理圖(tu)中的(de)這些(xie)走(zou)線(xian)是交流走(zou)線(xian)，必須(xu)使(shi)其(qi)盡(jin)可(ke)能(neng)短，以降低寄(ji)生(sheng)電感。
通(tong)過(guo)這種方法，我們(men)可以輕(qing)松(song)找到開(kai)關模(mo)式電源拓撲結構(gou)的(de)交(jiao)流電流走(zou)線(xian)。
在(zai)評(ping)估(gu)現(xian)有(you)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局布(bu)線(xian)時，個(ge)好的(de)辦(ban)法是將其(qi)打(da)印(yin)在(zai)紙上(shang)，並(bing)放上(shang)張(zhang)透明的(de)塑(su)料(liao)板(ban)，然(ran)後用不同顏色的(de)筆(bi)，畫(hua)出開(kai)啟時間和(he)關閉(bi)時間內的(de)電(dian)流流向(xiang)及相(xiang)應的(de)交(jiao)流走(zou)線(xian)。雖然(ran)我們(men)傾向(xiang)於認(ren)為，能(neng)夠(gou)在(zai)頭腦中(zhong)完(wan)成這相(xiang)對(dui)簡單的(de)工(gong)作，但在(zai)思(si)維(wei)過(guo)程(cheng)中(zhong)，我(wo)們(men)常常會犯(fan)些(xie)小(xiao)錯(cuo)誤(wu)，因此(ci)，強(qiang)烈(lie)建議在(zai)紙上(shang)繪(hui)出(chu)走(zou)線(xian)。
實現(xian)良好的(de)PCB布(bu)局布(bu)線(xian)
圖(tu)2顯示(shi)了降壓(ya)穩壓(ya)器的(de)交(jiao)流走(zou)線(xian)。必須(xu)註意，某(mou)些(xie)接地(di)走(zou)線(xian)也(ye)是交流走(zou)線(xian)，同樣(yang)需(xu)要(yao)保(bao)持盡可能(neng)短。此外(wai)，對(dui)於這些(xie)交流電流路(lu)徑(jing)，建議不要(yao)使(shi)用過(guo)孔(kong)，因為(wei)過(guo)孔(kong)的(de)電(dian)感也(ye)相當(dang)。對(dui)於這規(gui)則，有(you)少(shao)的(de)例(li)外(wai)情況(kuang)。如果(guo)交(jiao)流路(lu)徑(jing)不(bu)使(shi)用過(guo)孔(kong)，將(jiang)實際(ji)導(dao)致(zhi)比過(guo)孔(kong)本(ben)身大的(de)走(zou)線(xian)電感，那麽(me)建議使(shi)用過(guo)孔(kong)。多(duo)個(ge)過(guo)孔(kong)並(bing)聯優於(yu)使(shi)用單個過(guo)孔(kong)。
圖(tu)3所示(shi)為(wei)采用ADI公(gong)司(si)ADP2300降壓(ya)穩壓(ya)器的(de)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)布(bu)局布(bu)線(xian)示例(li)。我們(men)檢查下(xia)，圖(tu)中的(de)交(jiao)流走(zou)線(xian)是否(fou)是按zui短的(de)路(lu)徑(jing)布(bu)設(she)。圖(tu)2用字母A、B、C表示(shi)了交(jiao)流電流連(lian)接。
圖(tu)3中的(de)連(lian)接A是按照盡可能(neng)短的(de)路(lu)徑(jing)布(bu)設(she)，因為(wei)C2的(de)側連(lian)接能(neng)夠(gou)以zui短的(de)走(zou)線(xian)連(lian)接到開(kai)關MOSFET（ADP2300的(de)引(yin)腳5,即(ji)Vin引腳）。
連(lian)接B是引腳6（SW引腳）與二(er)管(guan)D1的(de)陰(yin)側之間的(de)走(zou)線(xian)。在(zai)圖(tu)3中，我(wo)們(men)同樣(yang)看(kan)到該走(zou)線(xian)盡可(ke)能(neng)短，以降低走(zou)線(xian)電感。
連(lian)接C是二(er)管(guan)D1的(de)陽與C2的(de)接地(di)連(lian)接之間的(de)走(zou)線(xian)。這兩(liang)個器(qi)件的(de)焊盤彼(bi)此(ci)相(xiang)鄰(lin)，具(ju)有(you)zui低的(de)走(zou)線(xian)電感。此外(wai)，這也(ye)有(you)利(li)於(yu)該交流電流不經過(guo)安(an)靜(jing)的(de)接地(di)層(ceng)。接地(di)層(ceng)應用作基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)，沒有(you)電(dian)流（特(te)別(bie)是沒有(you)交(jiao)流電流）流過(guo)接地(di)層(ceng)。C2旁邊(bian)的(de)過(guo)孔(kong)將(jiang)PCB頂(ding)層的(de)接地(di)區域連(lian)接到底層的(de)地(di)，但沒有(you)交(jiao)流電流流經這些(xie)過(guo)孔(kong)。
電(dian)感的(de)特(te)殊(shu)考慮(lv)
在(zai)EMI方面，我們(men)也(ye)必須(xu)考慮電(dian)感。實際(ji)器件(jian)並(bing)不像許多(duo)人認(ren)為的(de)那樣(yang)對(dui)稱。電(dian)感有(you)個(ge)磁(ci)芯(xin)，磁(ci)芯(xin)周圍繞(rao)著電(dian)線(xian)。繞(rao)組總有(you)個(ge)起始(shi)端和(he)個結(jie)束端(duan)。起始(shi)端連(lian)接到電(dian)感的(de)內繞(rao)組，結(jie)束端(duan)從電感的(de)外(wai)繞(rao)組接出(chu)。圖(tu)4所示(shi)為(wei)的(de)鼓式(shi)電(dian)感的(de)示(shi)意(yi)圖(tu)。繞(rao)組的(de)起始(shi)端通(tong)常在(zai)器件(jian)上(shang)標(biao)有(you)個(ge)圓(yuan)點。將起始(shi)端連(lian)接到噪(zao)聲(sheng)開關(guan)節點，將結束端(duan)連(lian)接到安(an)靜的(de)電(dian)壓(ya)重要(yao)。對(dui)於降壓(ya)穩壓(ya)器，安(an)靜(jing)的(de)電(dian)壓(ya)就是輸(shu)出電壓(ya)。這樣(yang)，外(wai)繞(rao)組上(shang)的(de)固(gu)定(ding)電壓(ya)，可以(yi)在(zai)電氣(qi)上(shang)內繞(rao)組上(shang)的(de)交(jiao)流開關(guan)節點電壓(ya)，從而電源(yuan)的(de)EMI將(jiang)會(hui)較低。
圖(tu)4:電感的(de)繞(rao)組起始(shi)端和(he)結束端(duan)
提下，所(suo)謂的(de)電(dian)感也(ye)是如此。具有(you)磁(ci)導(dao)率的(de)電(dian)感的(de)外(wai)部(bu)，確(que)實使(shi)用了某(mou)種材(cai)料(liao)，該材(cai)料(liao)會(hui)收(shou)緊(jin)封(feng)裝側的(de)大部(bu)分(fen)磁(ci)力線(xian)。然而，這種材(cai)料(liao)只(zhi)能(neng)抑(yi)制磁(ci)場(chang)，而不能(neng)抑(yi)制電場(chang)。外(wai)繞(rao)組上(shang)的(de)交(jiao)流電壓(ya)主要是電氣(qi)或(huo)容(rong)耦(ou)合(he)引起的(de)問題，電(dian)感的(de)材(cai)料(liao)沒(mei)有(you)抑(yi)制(zhi)此(ci)類耦(ou)合(he)。因此(ci)，電(dian)感也(ye)應放在(zai)電路(lu)板(ban)上(shang)，以(yi)便(bian)將(jiang)噪(zao)聲(sheng)開關(guan)節點連(lian)接到繞(rao)組起始(shi)端，從而將EMI降到zui低。
開關(guan)模(mo)式電源良好電路(lu)板(ban)布(bu)局布(bu)線(xian)的(de)基(ji)礎(chu)
工程(cheng)課程般(ban)不(bu)會教授如何(he)實現(xian)良好的(de)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局布(bu)線(xian)。頻RF類課程會研究走(zou)線(xian)阻(zu)抗(kang)的(de)重(zhong)要(yao)，但需要(yao)自(zi)行(xing)構建系統(tong)電源(yuan)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)，通(tong)常不會(hui)將(jiang)電源視(shi)為頻系統(tong)，而忽視(shi)了電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局布(bu)線(xian)的(de)重(zhong)要(yao)。電路(lu)板(ban)布(bu)局布(bu)線(xian)不當(dang)引起的(de)大多(duo)數(shu)問題，都(dou)可(ke)以歸(gui)結為未交流電流走(zou)線(xian)盡可(ke)能(neng)短並(bing)且(qie)緊(jin)湊。了解(jie)本(ben)文(wen)所述(shu)電路(lu)板(ban)布(bu)局布(bu)線(xian)準則(ze)背後的(de)理由(you)並(bing)嚴格遵(zun)守，將(jiang)能(neng)夠(gou)把(ba)開(kai)關(guan)模(mo)式電源的(de)PCB相(xiang)關(guan)問題降到zui小(xiao)。
