DC-DC電源在PCB布線中的接地方法

DC-DC電源是電子硬件設(shè)計(jì)中常用的電源電路，DC-DC電源在實(shí)現(xiàn)高輸入電壓變低輸出電壓時(shí)具有很高的效率，應(yīng)用十分廣泛，從電源適配器，手機(jī)充電器，電子設(shè)備內(nèi)部電源變換都離不到DC-DC電路。各個(gè)半導(dǎo)體廠家都有自己的DC-DC電源芯片，可選用的芯片也十分多，對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的DC-DC電路，不僅要考慮好DC-DC電路的外圍電阻，電容，電感的參數(shù)，同時(shí)對(duì)于PCB的布線設(shè)計(jì)也有很高的要求，本文從DC-DC電路中的電流的流向角度來(lái)提出指導(dǎo)PCB布線中接地的方法。

電路接地在電路原理圖中看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是電路的實(shí)際特性是由其PCB的布局決定的。而且接地點(diǎn)的分析是很困難的，特別對(duì)于DC-DC變換器電路，電路的接地結(jié)點(diǎn)會(huì)聚集快速變化的大電流。當(dāng)接地節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)遭受影響并且該系統(tǒng)會(huì)輻射電磁干擾。但是如果很好地理解“接地”引起的地噪聲的物理本質(zhì)可提供一種減小接地噪聲問題的直觀認(rèn)識(shí)。

地線回路中的傳輸電流的變化會(huì)在回路中產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流成正比，磁通量與環(huán)路面積和磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積成正比，用公式表示

假設(shè)電流環(huán)路中突然斷開，如圖2中開關(guān)斷開，電流停止流動(dòng)時(shí)，磁通量消失，這會(huì)沿導(dǎo)線各處產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)大電壓。如果導(dǎo)線的一部分是一個(gè)接地返回引腳，那么以地電平為參考端的電壓會(huì)生一個(gè)尖峰，從而在任何使用該引腳為接地參考的電路中都會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。

PCB電路板上面的印制線不是理想的導(dǎo)線，具有電阻。1盎司（oz）銅的電阻為500微歐/方數(shù)，因此1安培的電流變化只能產(chǎn)生500uV/方數(shù)的反彈電壓--問題只存在于采用細(xì)長(zhǎng)印制線或菊花鏈?zhǔn)浇拥鼗蚓茈娮与娐贰?/p>

在DC-DC開關(guān)電路中減少接地反彈的最好方法就是控制磁通量變化---使電流環(huán)路面積和環(huán)路面積變化最小。DC-DC電路降壓或升壓的原理就是利用電子開關(guān)快速切換給儲(chǔ)能元件充電放電實(shí)現(xiàn)了電壓變換，同時(shí)改變了電路中電流的環(huán)路面積產(chǎn)生了接地反彈和電磁輻射。

在某些情況下，如圖3所示，電流保持恒定，而開關(guān)切換引起環(huán)路面積變化，因此產(chǎn)生了磁通量的變化。在開關(guān)狀態(tài)1中，一個(gè)理想的電壓源通過理想導(dǎo)線與一個(gè)理想電流源相連。電流在一個(gè)包含接地回路的環(huán)路中流動(dòng)。

在開關(guān)狀態(tài)2中，當(dāng)開關(guān)改變位置時(shí)，同樣的電流在不同的路徑中流動(dòng)。電流源為直流DC，并且沒有變化，但環(huán)路面積發(fā)生了變化。環(huán)路面積變化意味著磁通量的變化，所以產(chǎn)生了電壓。因?yàn)榻拥鼗芈窞樽兓h(huán)路的一部分。

降壓型變換器的接地反彈

降壓型變換器電路與上圖3中的電路結(jié)構(gòu)很像，對(duì)降壓型變換器的電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖4所示。

在高頻時(shí)，一個(gè)大電容如降低變換器的輸入電容Cin可以看做是一個(gè)DC電壓源，類似地，一個(gè)電感器如輸出電感Lbuck可以看作是一個(gè)DC電流源，這些近似有助于直觀理解與理論分析。

圖5所示，當(dāng)開關(guān)在兩個(gè)位置之間交替切換時(shí)，電流流經(jīng)路徑的變化引起了磁通量的變化。大電感器Lbuck使輸出電流大約保持恒定。類似地，大電容器Cin保持電壓大約等于Vin。由于輸入引線電感兩端的電壓不變，所以輸入電流也大約保持恒定。

盡管輸入電流和輸出電壓基本不變，但當(dāng)開關(guān)從位置1切換到位置2時(shí)，總環(huán)路面積會(huì)迅速變化原來(lái)的一半。環(huán)路面積變化意味著磁通量的快速變化，從而沿著接地回路引起接地反彈。

實(shí)際上，降壓型變換器由一對(duì)半導(dǎo)體電子開關(guān)組成，如圖6所示，雖然每個(gè)圖中的復(fù)雜程序增加，但是通過磁通量變化引起接地反彈的分析方法仍然很簡(jiǎn)單和直觀。

事實(shí)上，磁通量的變化會(huì)沿著接地回路各處都產(chǎn)生電壓，這就帶來(lái)了一個(gè)有趣的問題：哪里是真正的地？因?yàn)榻拥胤磸椧馕吨?，想?duì)于稱作地的某個(gè)理想點(diǎn)（那一點(diǎn)需要定義），在接地返回印制線上產(chǎn)生一個(gè)反彈電壓。在電源穩(wěn)壓器電路中，真實(shí)的地應(yīng)該連接在負(fù)載的低壓端。畢竟DC-DC變換器的目的是為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓和電流。電流回路上的其他所有點(diǎn)都不是真正的地，只是接地回路的一部分。

由于在負(fù)載低壓端接地并且環(huán)路面積變化是接地反彈的原因，那么減少接地反彈和電磁輻射，優(yōu)化電路的接地的指導(dǎo)思想變是讓DC-DC電路中電流環(huán)路面積最小，可以通過布局優(yōu)化輸入電容，輸出電容，儲(chǔ)能電感的位置來(lái)減少電流的環(huán)路面積。圖7顯示了如何精心放置輸入電容Cin來(lái)減少環(huán)路面積降低接地反彈。

圖7中 電容器Cin旁路PCB頂層的高端開關(guān)直接到達(dá)底層低端開關(guān)兩端，因些減小了環(huán)路面積的變化，將其與接地回路隔離。當(dāng)開關(guān)從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時(shí)，從Vin底層到負(fù)載的底部，無(wú)環(huán)路面積變化或開關(guān)電流變化。因此接地回路中沒有發(fā)生接地反彈。

圖8 是一個(gè)不合理的PCB布局，當(dāng)高端開關(guān)接通時(shí)，DC電流沿著外圈的紅色環(huán)路流動(dòng)。當(dāng)?shù)投碎_關(guān)接通時(shí)，DC電流沿著藍(lán)色的環(huán)路流動(dòng)，由此可見，這個(gè)電路布局在開關(guān)切換時(shí)產(chǎn)生了較大的環(huán)路變化，引起了磁通量的變化，產(chǎn)生了接地反彈和電磁輻射干擾。

為了清晰起見，在單層PCB布線，即使使用第二層整塊接地平面也無(wú)法解決接地產(chǎn)生的反彈，圖9就是一個(gè)簡(jiǎn)單盒子說明地平面無(wú)法解決問題。這里我們采用雙層PCB以便在頂層電源線垂直處附加一個(gè)旁路電路。

在左邊的例子中，地平面是整體的并且未切割。頂層印制電流通過電容 流過，穿過過孔，到達(dá)了地平面。因?yàn)榻涣麟娍偸茄刂钚∽杩孤窂搅鲃?dòng)，接地返回電流繞著其路徑拐角返回電源。所以當(dāng)電流的幅度或頻率發(fā)生變化時(shí)，電流的磁場(chǎng)及其環(huán)路面積發(fā)生變化，從而改變磁通量。電流沿最小阻抗路徑流動(dòng)的規(guī)律意味著，即使采用整體地平面也會(huì)發(fā)生接地反彈--與其導(dǎo)通性無(wú)關(guān)。

在右邊的例子中，一個(gè)經(jīng)過合理切割的地平面會(huì)限制返回電流以使環(huán)路面積最小，從而大大減小接地反彈。在切割返回線路內(nèi)產(chǎn)生的任何剩余接地反彈電壓與通用地平面隔離。

圖10中PCB布線采用雙層PCB以便將輸入電容和兩個(gè)開關(guān)安裝在地平面的孤島上。這種布線不必最好，但它工作很好，而且能夠說明關(guān)鍵問題。應(yīng)該注意紅色電流和藍(lán)色電流包圍的環(huán)路面積很大，但兩個(gè)環(huán)路面積之差很小。環(huán)路面積變換很小意味著磁通量的變化小---接地反彈小，然而一般情況下也要保證環(huán)路面積小，圖10只是為了說明交流電流路徑匹配的重要性。

另外，在磁場(chǎng)和環(huán)路面積發(fā)生變化的接地回路孤島內(nèi)，沿著任何接地回路引起的接地反彈都受接地切割限制。此外，可能第一眼看上去，輸入電容Cin好像沒有位于圖7中所示的頂層高端開關(guān)和低層低端開關(guān)之間，但進(jìn)一步觀察才會(huì)發(fā)現(xiàn)是這樣。盡管物理臨近可以很好，但真正起作用的是通過最小化環(huán)路面積實(shí)現(xiàn)的電子接近。

升壓型變換器中的接地反彈

升壓型變換器實(shí)際上是降壓型變換器的反射，如圖11，它是輸出電容必須話在頂層高端開關(guān)和底層低端開關(guān)之間以使環(huán)路面積變化最小。

小結(jié)

接地反彈電壓主要是由于磁通量變化引起的。在DC-DC開關(guān)電源中，磁通量變化是由于在不同的電流環(huán)路面積之間高速切換DC電流引起的。但是精心放置降壓型變換器的輸入電容和升壓型變換器的輸出電容并且合理切割接地平面可以隔離接地反彈。然而，重要的是當(dāng)切割地平面時(shí)必須 謹(jǐn)慎以避免增加電路中其它返回電流的環(huán)路面積。

另外一個(gè)合理的布線應(yīng)該將真正的地放在連接負(fù)載的底層，不會(huì)引起環(huán)路面積的變化或電流的變化。任何其它與導(dǎo)通相關(guān)的點(diǎn)都可以稱為“地”，但它只是沿著返回路徑的一點(diǎn)而已。

其它用于接地分析的有用概念

如果你下述基本概念，你就會(huì)清楚地知道什么情況會(huì)產(chǎn)生接地反彈 ，什么情況不會(huì)產(chǎn)生接地反彈。圖12給出相互垂直的兩個(gè)導(dǎo)體不會(huì)遭受磁場(chǎng)的互相影響。

沿著相同方向傳輸相等的電流的兩條平行導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁力線在兩個(gè)條導(dǎo)線之間處傳統(tǒng)相互抵消，所以兩條導(dǎo)線總儲(chǔ)存能量要比單獨(dú)一條導(dǎo)線儲(chǔ)存的能量少。因些，PCB寬印制線的電感要比窄印制線小。

沿相反方向傳輸相等電流的兩條平等導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁力線在兩條導(dǎo)線的外部相互抵消，而在兩條導(dǎo)線之間處增強(qiáng)。如果內(nèi)部環(huán)路面積縮小，那么總磁通量也隨之變小。該現(xiàn)象可以解釋為何交流地平面的返回電流總是澡頂層印制線導(dǎo)線下方流動(dòng)。

圖15展示出了為何拐角增加電感，一條直導(dǎo)線只能看到它自己的磁場(chǎng)，但在拐角處，還能看到垂直導(dǎo)線的磁場(chǎng)。因此，拐角儲(chǔ)存了更多的磁場(chǎng)能量，其電感要大于直導(dǎo)線。

圖16給出了在傳輸線導(dǎo)線下面切割接地平面，由于轉(zhuǎn)移回路電流可增加環(huán)路面積，從而增大環(huán)路尺寸并且助長(zhǎng)接地反彈。

總結(jié)

接地反彈一直是一個(gè)潛在的問題。對(duì)于顯示器或電視，意味著圖像有噪聲，對(duì)于音頻設(shè)備意味著噪聲本底。在數(shù)字系統(tǒng)中，接地反彈可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤---甚至是系統(tǒng)崩潰。對(duì)于預(yù)測(cè)接地反彈幅度來(lái)說，仔細(xì)估計(jì)寄生元素和仿真是有效的方法。但對(duì)指導(dǎo) 電路設(shè)計(jì)的直覺，理解背后的物理原理是很必要的。

首先，設(shè)計(jì)PCB時(shí)，應(yīng)該將負(fù)載的低壓端設(shè)置為真正的地。

然后，用電流源和電壓源代替大電感和電容器以簡(jiǎn)化電路動(dòng)態(tài)特性。觀察每種開關(guān)組合下的電流環(huán)路。應(yīng)該使環(huán)路重疊，如果無(wú)法做到重疊，應(yīng)該精心在在地平面上切割出一個(gè)小島以確保只有DC流入和流出的孤島開呈。

在大多數(shù)情況下，經(jīng)過這些努力可以獲得較好的接地性能。如果還是不行，應(yīng)該首先考慮地平面的電阻，然后考慮所有開關(guān)和進(jìn)入返回路徑的寄生電容器兩端流過的位移電流。

總之無(wú)論什么電路，原理都是相同，就是減小環(huán)路面積，減小開關(guān)變化時(shí)環(huán)路面積差。

審核編輯：湯梓紅