如何緩解PCB設(shè)計(jì)中開關(guān)電源的地彈

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，因此——如圖11所示——它是輸出電容器，輸出電容器必須放在頂層高端開關(guān)和底層低端開關(guān)底端之間以使環(huán)路面積變化最小。

圖11. 按照降壓型變換器將CVIN 放在關(guān)鍵位置相同的方法，升壓型變換器將C VOUT 放在關(guān)鍵位置。a)不合理設(shè)計(jì)，b)合理設(shè)計(jì)。

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器和升壓型變換器的輸出電容器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

如果你牢記下述基本概念，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示出了相互垂直的兩個(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電流的兩條平行導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁力線在兩條導(dǎo)線之間處會(huì)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。因此，PCB寬印制線的電感要比窄印制線小。

沿著相反方向傳輸相等電流的兩條平行導(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，所以電感也隨之變小。該現(xiàn)象可以解釋為何AC地平面的返回電流總是沿頂層印制線導(dǎo)線下方流動(dòng)。

圖15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)，但是在拐角處，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示出了在傳輸流的導(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。

元件方向的作用，如圖17所示。

總結(jié)

接地反彈一直是一個(gè)潛在的問題。對(duì)于監(jiān)視器或電視，它意味著圖像有噪聲；對(duì)于音頻設(shè)備則意味著噪聲本底。在數(shù)字系統(tǒng)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)接地反彈幅度來說，仔細(xì)估計(jì)寄生元素和細(xì)致的仿真是有效的方法。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，用電流源和電壓源容替大電感器和電容器以簡(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)該精心地在地平面上切割出一個(gè)小島以確保只有DC流入和流出孤島開口。

在大多數(shù)情況下，經(jīng)過這些努力可以獲得可以接受的接地性能。如果還是不能，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。

無(wú)論什么電路，基本接地原理都是相同的——應(yīng)該使磁通量的變化最小或者對(duì)它隔離。