開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)PCB布局改進(jìn)方案

今天主要是關(guān)于：開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)改進(jìn)。

一、PCB耦合

通常工程師在 SMPS布局中都會(huì)密切關(guān)注2個(gè)耦合因素，如下圖所示：

電壓開關(guān)節(jié)點(diǎn)，具有高dv/dt

熱電流環(huán)路，包含子系統(tǒng)中最高的di/dt

顯示降壓轉(zhuǎn)換器di/dt和dv/dt位置的示意圖

這里起作用的機(jī)制和風(fēng)險(xiǎn)是將不需要的能量通過電容（dv/dt）和電感（di/dt）耦合到系統(tǒng)的其他部分，或者以輻射和傳導(dǎo)發(fā)射的形式耦合到系統(tǒng)之外。

二、PCB設(shè)計(jì)檢查

這里檢查L(zhǎng)M22678 5A轉(zhuǎn)換器的PCB布局，其Uin 為12V，Uout為5V。這是一個(gè)非同步降壓轉(zhuǎn)換器，使用B130L-13-F肖特基二極管用于其低側(cè)開關(guān)元件。

12V 至 5V 異步 LM22678 降壓轉(zhuǎn)換器原理圖

最大限度地減少電容和電感耦合并不是復(fù)雜，但是很容易被忽略，從而導(dǎo)致PCB出問題，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品被推遲。

下圖中，可以看到非同步降壓穩(wěn)壓器的TO-263封裝的布局，其中標(biāo)出了電壓節(jié)點(diǎn)（紅色輪廓）和熱電流環(huán)路（黃色）。

采用低側(cè)功率二極管的非同步降壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

為了看得更清楚，PCB上的銅填充已經(jīng)被隱藏，這個(gè)設(shè)計(jì)存在3個(gè)明顯問題：

1、高 di/dt 環(huán)路遠(yuǎn)大于其需要的值

2、沒有過孔連接 Cin 或 Cout的 GND 節(jié)點(diǎn)(被過孔覆蓋)

3、交換節(jié)點(diǎn)可以更小

上面這個(gè)設(shè)計(jì)說明，電流環(huán)路沒有得到很好的控制，并且由于平面之間缺乏通孔，電流沒有明確定義的返回源路徑。

三、對(duì)于EMC

改進(jìn)后的布局如下圖所示：

優(yōu)化了電壓節(jié)點(diǎn)，更小的熱環(huán)路以及每個(gè)無源組件對(duì)第2層參考平面。

此外初級(jí)Cout電容也相對(duì)于原始設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)的了90°，降低了輸軌道上的噪聲風(fēng)險(xiǎn)。

改進(jìn)的布局考慮了耦合機(jī)制

通過將低側(cè)二極管串聯(lián)移動(dòng)到開關(guān)引腳和電感之間，可以更好地限制dv/dt 耦合效應(yīng)產(chǎn)生的潛在串?dāng)_噪聲。

此外，通過減小熱環(huán)路幾何形狀，可以降低高di/dt磁場(chǎng)耦合的影響。

雖然說這些變化很小，但是不需要對(duì)額外PCB空間或其他子系統(tǒng)進(jìn)行該改變。但是通過減少約50%的電流環(huán)路和優(yōu)化節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)合規(guī)性。

四、主要要點(diǎn)：

了解開關(guān)模式電源中電流環(huán)路的流動(dòng)位置

保持節(jié)點(diǎn)和環(huán)路幾何形狀較小，以減輕不必要的耦合效應(yīng)

使 Cin遠(yuǎn)離或 Cout以幫助隔離電流環(huán)路感應(yīng)場(chǎng)，并防止 dv/dt 串?dāng)_

將焊盤連接到過孔，而不僅僅是接地填充銅，以幫助限制返回電流

審核編輯：湯梓紅