開關(guān)模式電源 PCB設(shè)計指南

電源設(shè)計師了解開關(guān)模式電源 PCB 布局布線的復(fù)雜技術(shù)細節(jié)和功能要求。布局布線決定了對電磁干擾 (EMI) 的敏感性、熱行為、功率完整性和安全性。良好的布局布線確保了高效率的功率轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)截摵桑瑫r也讓熱傳輸遠離布局布線中的熱元件，確保了電子系統(tǒng)周圍的噪音耦合處于低水平。安全也是開關(guān)調(diào)節(jié)器的重要因素，這可能會向輸出端提供高電流，從而造成安全風(fēng)險。

布局布線選擇不佳會引發(fā)一些問題，這些問題會在高電流電平上發(fā)生，并且隨著輸出電壓與輸入電壓之間的巨大差異而更加明顯。在 PCB 布局布線不良的情況下，常見的電源問題包括：高輸出電流的調(diào)節(jié)喪失、輸出端噪音過高、開關(guān)波形以及電路不穩(wěn)定。設(shè)計師結(jié)合使用直流電源完整性模擬工具、電路模擬和分析功能以及最好的布局和布線實用程序，可以確保設(shè)備的安全可靠。Altium Designer 提供電源 PCB 布局軟件及其他，以幫助防止這些問題。

電源面臨一系列挑戰(zhàn)，需要一整套設(shè)計和分析功能，以確保電源正常運作。這些設(shè)計也會造成安全危害，令用戶受到傷害，例如接觸高電壓、突然向用戶放電。設(shè)計師如何確保能夠設(shè)計安全、準確和可靠的電源？

開關(guān)模式電源在無元電路中使用開關(guān)電源元件，成為高電流整流交流電與高電壓之間轉(zhuǎn)換的標準。這些元件為非線性，常常使用反饋來維持調(diào)節(jié)，與典型的 LDO 調(diào)節(jié)器正好相反。在 LDO 中，通過誤差放大器的飽和來維持調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生了在 PCB 布局中視為熱的電阻損耗。

雖然從調(diào)節(jié)和效率角度看，開關(guān)調(diào)節(jié)器是首選，但由于其涉及更多元件，其中一些元件會有較大的寄生效應(yīng)，如果不妥善安排，也會容易產(chǎn)生噪音問題。從下一個電源布局布線開始，遵循這些開關(guān)模式電源 PCB 布局布線指南，以確保設(shè)計可靠。

開始您的 SMPS PCB 布局布線

應(yīng)遵循一些基本的 SMPS PCB 布局布線規(guī)則，有助于確保您的設(shè)計中噪音問題少、輻射 EMI 少，并且始終處于低溫。大體上，指南可以概括如下：

• 正確界定接地、在 PCB 布局布線中設(shè)置短路徑、在 PCB 中安排電隔離部分，以消除噪音耦合，從而降低 EMI。

• 如果布局布線中存在噪聲、需要包絡(luò)跟蹤等功能或特定噪聲源導(dǎo)致設(shè)計出現(xiàn)問題，請按需使用,適當(dāng)?shù)剌斎牒洼敵?EMI 濾波器電路。

• 使用大量銅為重要元件提供散熱路徑。如果需要，可以考慮獨特的圍欄設(shè)計，以及在發(fā)熱元件上設(shè)計散熱器或風(fēng)扇。

• 布置快速開關(guān)、高電流電路，如 MOSFET 陣列，以便在開關(guān)事件期間設(shè)計中沒有寄生振蕩。

監(jiān)管機構(gòu)，如保險商實驗室 (Underwriter Laboratories) 和 IEC，測試了電源的輻射電磁干擾 (EMI)、傳導(dǎo) EMI、穩(wěn)定性、效率和運行壽命。FCC 和 CE 條例也對開關(guān)模式電源的排放做出了限制，因為這些裝置的輻射并非有意產(chǎn)生。Altium Designer 提供電路分析工具，助您詳細了解設(shè)備的電氣行為，而 PCB 布局布線工具可以幫助您開發(fā)既符合上述要求又考慮到模擬電氣規(guī)格的布局布線。

小心界定接地

開關(guān)模式電源 PCB 布局布線的第一條指南是如何在布局中界定接地。在設(shè)計開關(guān)電源電路時，記住存在五個接地點。這些點可分成不同的導(dǎo)體，以確保電隔離。這些是：

• 輸入高電流源接地

• 輸入高電流環(huán)路接地

• 輸出高電流整流器接地

• 輸出高電流負荷接地

• 低電平控制接地

每個接地可能存在于實際獨立的導(dǎo)體中，這取決于轉(zhuǎn)換器、整流器或調(diào)節(jié)器電路中是否需要電隔離。如果接地是電容耦合，電源電路會接納共模噪音，例如附近的導(dǎo)電外殼通常會發(fā)生。PCB 的接地區(qū)域應(yīng)在隔離組件的每一側(cè)明確界定，例如：

如果出于某種原因，確實需要橋接接地以消除某些直流偏移，那么 Y 級電容器是最佳選擇，因為它提供高頻過濾并消除接地區(qū)域之間的直流偏移。

在某些開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，Y 級電容器可用于橋接接地

每個高電流接地都是當(dāng)前環(huán)路的一條支線，但其布置應(yīng)該為電流提供低阻抗返回路徑。這可能需要多重通孔回到接地層，以接納低等效電感的高電流。這些點及其相對于系統(tǒng)接地的電位成為測量電路不同點之間傳導(dǎo)的直流和交流信號的點。由于需要防止高電流交流接地的噪音逸出，適當(dāng)?shù)臑V波電容器的負端充當(dāng)高電流接地的連接點。

界定接地區(qū)域的最佳做法是使用大平面或多邊形鋪銅。這些區(qū)域提供低阻抗路徑，使噪聲從直流輸出中消散，并能處理高回流。它們還提供了一條路徑，在需要時，可以為重要元件散熱。在兩側(cè)放置接地層，吸收輻射 EMI，降低噪音，減少接地回路誤差。接地層當(dāng)作靜電屏蔽并消散渦電流中的輻射 EMI 時，也將電源層的走線和元件與信號層組件分開。Altium Designer 的 CAD 工具便于在 PCB 布局中界定接地，并放置大導(dǎo)體以用作 PCB 中的接地區(qū)域。特別是使用開關(guān)電源時，可以使用 PCB 兩側(cè)的接地層，并用通孔連接，以確保接地中的電位一致。

• 可以根據(jù)功能，為設(shè)計中的接地區(qū)域命名多個名稱。小心界定設(shè)計中的接地區(qū)域，確保正確將其連接在一起。了解電路板接地、數(shù)字和模擬接地的詳情。

• 接地層在電源 PCB 布局布線以外的系統(tǒng)中也很重要。確保您定義的連接具有低阻抗，而不影響元件。了解更多關(guān)于在 Altium Designer 中創(chuàng)建接地層的信息。

• 共模噪音和傳導(dǎo)紋波是 PCB 布局布線中的主要噪音來源，當(dāng)噪音極大時，會導(dǎo)致設(shè)計無法通過 EMI 測試。詳細了解電源中的 EMI 以及降低 EMI 的步驟。

電源層和接地層提供低阻抗連接，同時提供遠離系統(tǒng)重要部分的散熱路徑

示意圖編輯器協(xié)助布局布線

接地是設(shè)計的重要起點，因為接地決定了 PCB 布局布線能否降噪以及路線安排。然而，這并不是電源設(shè)計的唯一考慮因素。開關(guān)操作和抑制 EMI 都置于電源中，需要在 PCB 中明確界定。

接地位置

SMPS 控制器能否精確調(diào)節(jié)輸出電壓取決于低電平控制接地的連接。處理集成電路、輸入電容器、輸出電容器和輸出二極管時，確保組件連接到接地層。接地連接與一個點相連，在這個點，控制 IC 及其相關(guān)電路測量交流電流、直流電流、輸出電壓及其他主要參數(shù)。將低電平接地與電流感應(yīng)電阻器或輸出分壓器的下側(cè)連接起來，可以防止控制電路感應(yīng)共模噪音

設(shè)計開關(guān)動作

SMPS 的工作方式是在截止工作狀態(tài)與飽和工作狀態(tài)之間快速切換通過單元，并向輸出負載輸送恒定功率。在截止時，整個通過單元都存在高電壓，但無電流流通。在飽和時，高電流穿過通過單元，壓降很小。由于半導(dǎo)體開關(guān)從直流輸入電壓中產(chǎn)生交流電壓，所以 SMPS 可以用變壓器升壓或降壓，然后在輸出端將電壓過濾成直流電。

脈寬調(diào)制 (PWM) 開關(guān)電源以正向模式或升壓模式運行。正向模式電源在輸出端有一個 L-C 濾波器，根據(jù)從濾波器獲得的輸出的伏特時間平均值，創(chuàng)建直流輸出電壓。為了控制信號的伏特時間平均值，開關(guān)電源控制器改變輸入矩形電壓的占空比。

降壓轉(zhuǎn)換器與升壓轉(zhuǎn)換器

電源開關(guān)打開時，升壓轉(zhuǎn)換器模式電源在輸入電壓源兩端直接連接一個電感器。電感器電流從零開始增加，并在關(guān)閉電源開關(guān)時達到高峰。一個輸出整流器鉗制電感輸出電壓，防止電壓超過電源輸出電壓。當(dāng)電感器核心中的能量傳遞到輸出電容器時，電感器的開關(guān)終端會回落到輸入電壓的電平。

同時，降壓轉(zhuǎn)換器模式電源使用相同的元件，但在不同的拓撲結(jié)構(gòu)中，將電感的反電動勢鉗制在低于輸入電壓的電平。開關(guān)動作具有與升壓轉(zhuǎn)換器相同的效果，輸出電流在與充電/放電電容器的競爭中振蕩，從而實現(xiàn)對輸出功率的調(diào)節(jié)。這兩種類型的調(diào)節(jié)器/轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)都將開關(guān)噪音傳播到設(shè)計中的輸出端口，這可以看作是輸出端的高頻紋波。

降壓和升壓轉(zhuǎn)換器布局可以承載高電流，需要大的多邊形來容納熱量并防止功率損耗

電源路由幫助確保低噪音操作

開關(guān)電源會產(chǎn)生高頻噪音，直到噪音頻率達到開關(guān)頻率的大約 100 倍為止。然后，噪聲頻率以每十年 -20 至 -40dB 的速度下降。由于開關(guān)調(diào)節(jié)器在“開”和“關(guān)”電源狀態(tài)下工作，具有尖銳邊緣的大電流脈沖在開關(guān)電源電路內(nèi)流動，因此會產(chǎn)生 EMI。“開”和“關(guān)”電源狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生 EMI，如果電源布局中的電流回路太大，則會在系統(tǒng)中的其他地方引發(fā) EMI。開關(guān)電源電路由電源開關(guān)回路和輸出整流器回路組成，這些回路需要正確布線，以防止噪音過大。

對電源進行布局布線時，要特別注意回路周圍以及走線的長度和寬度?？s小回路周長，這樣回路便不會當(dāng)作低頻噪音天線。從電路效率的角度來看，更廣泛的走線也為電源開關(guān)和整流器提供額外的散熱。您可以使用主動布線引擎來實現(xiàn)人工布線結(jié)果，安排元件，以使開關(guān)電流回路在同一方向上傳導(dǎo)。隨著當(dāng)前的回路在相同方向上傳導(dǎo)，控制電路耦合到布局布線中的特定位置。因此，磁場不能沿著位于兩個半周期之間的走線反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生輻射 EMI。

• Altium Designer 的布線工具幫助您輕松布置用于高電流/高電壓的多邊形鋪銅，或用于數(shù)據(jù)和控制線的更細走線。了解有關(guān)在 Altium Designer 中電源布局布線的更多信息。

• 使用電源布局時，處理大開關(guān)電流的走線應(yīng)當(dāng)簡短、直接、厚實?？梢赃\用 IPC 標準來計算推薦的跡線寬度，盡管按照經(jīng)驗，最小寬度是每安培 15 密耳。了解更多關(guān)于計算走線寬度以確保高電流承載能力的信息。

• SMPS 中的 EMI 濾波器抑制了直流輸入輸出布線中傳導(dǎo)的高頻電流所引起的高頻噪音。您可以使用 Libraries 和 Altium Content Vault 中的集成元件定價、供應(yīng)情況以及數(shù)據(jù)表鏈接，設(shè)計出效果最佳的濾波器。了解有關(guān) PCB 布局中 EMI 濾波電路的更多信息。

此 PCB 布局中的組件保持緊密排列，并使用短而直接的走線進行布線

SMPS 交流電壓節(jié)點的 PCB 布局布線提示

根據(jù) SMPS 配置，交流電壓節(jié)點存在于功率 MOSFET 的漏極或 BJT 的集電極以及輸出整流器的陽極。這些節(jié)點都可以有高交流電壓。例如，MOSFET 漏極的峰值交流電壓可以達到輸入電壓的一到兩倍。由于漏極通過絕緣體栓在散熱器上，接地的散熱器為電容耦合噪音提供了路徑。您可以使用 Altium Designer 中的 PCB 布局布線工具，將易感信號放在同一側(cè)，而不是在噪音交流節(jié)點下。此外，您可以對節(jié)點下方的接地層劃出交叉影線，以消除噪音。

表面貼裝環(huán)境的電容值較小，但可以將噪聲耦合到敏感信號中。由于這些因素，您的布局還需要解決交流節(jié)點電壓可能會電容耦合到散熱器或相鄰接地層的問題。在布置表面貼裝 PCB 設(shè)計時，節(jié)點要足夠大，以用作電源開關(guān)或整流器的散熱器。一些多層設(shè)計使交流節(jié)點下方的所有層與交流節(jié)點相同，并使用鍍通孔連接這些層，以增加設(shè)計的熱質(zhì)量。

Altium Designer 提供全套設(shè)計布局工具集

Altium Designer 中的整套 PCB 設(shè)計布局布線功能提供了全套工具，助您開發(fā)可靠安全的電源系統(tǒng)。您還可以創(chuàng)建和仿真重要的電源電路拓撲結(jié)構(gòu)和 EMI 濾波器，它們可用于各種應(yīng)用，從大功率直流系統(tǒng)到高頻交流系統(tǒng)等等。Altium Designer 的 PDN 分析器插件為電路的直流電流和電壓分析提供了最佳資源。設(shè)計開關(guān)模式電源的 PCB 布局似乎令人生畏，但 Altium Designer 提供多種工具，將復(fù)雜的電源分解成簡單易懂的任務(wù)。

• Altium Designer 提供一切工具，助您把想法變成現(xiàn)實。您可以在 Altium Designer 中創(chuàng)建各種設(shè)計，從簡單的 MOSFET 電路到高級 RF 電源設(shè)計等等。

• 用戶使用 Altium Designer 的 PDN 分析器擴展，可以用行業(yè)標準直流電源完整性模擬，分析電源輸出。

• 所有 Altium Designer 用戶都可以在 Altium 365 平臺上共享自己的電源設(shè)計。設(shè)計小組使用 Altium 365 來保持效率，并在安全云環(huán)境中共享設(shè)計數(shù)據(jù)。

使用適合 Altium Designer 中任何應(yīng)用的最佳 CAD 工具創(chuàng)建 PCB 布局

一貫以來，Altium 的目標就是在統(tǒng)一設(shè)計界面中提供精簡設(shè)計體驗。Altium Designer 中的原理圖編輯器、PCB 編輯器、SPICE 模擬包、布線功能和模擬工具滿足您的一切需求，助您開發(fā)安全、可靠、無噪音的電源。若需要整套組件創(chuàng)建和管理工具，請使用Altium Designer開始創(chuàng)建并模擬您的設(shè)計。