開關電源和穩壓器PCB布局指南分享

電源和穩壓器有多種形狀和尺寸。 盡管它們通常被視為不同的產品，但它們在電氣上是等效的，尤其是開關穩壓器。 從先進系統的角度來看，電源的開關穩壓器部分和實際的穩壓器電路在同一個框圖中執行相同的功能。

對于電源而言，這只是規模以及穩壓器如何與系統中其他電源轉換模塊集成的問題。 電源中的開關穩壓器部分和 PCB 上的開關穩壓器電路應根據相同的一般準則進行布置，以確保低噪聲運行。

在下一節中，我想簡要關注電源和穩壓器之間的差異，盡管大多數設計人員已經知道這一點。 電源將（或應該）包括電源調節器，但調節器可以是獨立的電路，而不是所謂的電源。 對于帶有板載穩壓器的電源和PCB，開關穩壓器的布局將是決定整體系統性能的主要因素。 因此，我們在穩壓器布局方面主要關注一些開關電源的布局標準。

開關電源的系統布局標準

在查看開關電源的穩壓器部分之前，我們應該首先查看整個系統的高級框圖。 如果您正在設計電源，整個設備將具有拓撲。 這對于壁裝電源插座的交流電源尤其重要。

系統的高級框圖可以在多塊板上實現，盡管通常所有東西都放置在一塊板上，以便為大型變壓器、散熱器、風扇和機械安裝支架留出空間，特別是對于高壓/電流電源。 如果您正在設計一個小型穩壓器，以便將電路板插入電源單元，那么無論如何您都將采用上述拓撲，并且輸出穩壓器和新穩壓器之間只有一根地線。 同樣，這對于大電流電源來說很常見。

我們有三個獨立的接地區域，它們與蓋子連接在一起。 不要盲目遵循使用電容的準則：沒有一種 PCB 接地技術可以解決所有噪聲源，因此使用電容時應非常小心。 如圖所示，這是保證所有接地區域具有恒定接地電位的方法。 這是工業以太網系統接地的推薦方法。 這里的想法是防止兩個接地部件之間可能產生任何直流電勢

這里的危險是會產生接地環路和共模噪聲，必須將其過濾。 這樣，將接地線綁在一起基本上是用金屬外殼完成的工作，而塑料外殼將使接地線保持隔離。 這變得很棘手，需要仔細的電路設計和 PCB 布局才能通過所有 EMC 測試。

輸出級

輸出級不需要電流隔離； 它取決于直流穩壓器的拓撲（請參閱反激式轉換器的示例）。 通常，在輸出端放置傳導EMI濾波器電路或共模扼流圈，以抑制到達負載電路的共模電流。 除了這些要點之外，還將使用特定于穩壓器拓撲的最佳實踐來安排輸出穩壓器級。 我將在下面介紹這些有關監管機構布局的更廣泛的想法。

電源的輸出級可能不是系統中的最終調節器。 相反，可以為另一個穩壓器或一系列穩壓器供電，每個穩壓器將以某個最大電流為一組組件提供設定電壓。 同樣，這可以在單板或多塊板上完成（一塊用于電源，一塊用于調節器級）：

布局每個電路塊

現在，我們已經看到了整個系統的架構，也可以大致了解開關電源以及整個系統中各個電路模塊如何布局，以保證低EMI和安全。

分段布局：與其他具有多個功能塊的電路板一樣，嘗試電源板的分段布局。 這可以在框圖中從輸入到輸出線性地完成。

規劃帶有反饋的布局：有時，例如在精密大電流調節器中，部件之間會存在一些反饋。 使用光耦合器橋接每個部分之間的接地間隙。

遵循接地電路：如果PCB設計中有一般準則，則可能是“遵循接地電路”。 對于電源來說，這對于確定在何處生成共模電流并確保每個電源部分的環路電感較低至關重要。

注意高電流和高電壓軌：高電壓和高電流設計有時可以混合在一起。 兩個導體之間的最大電位差將決定它們的最小間距，而導體承載的電流將決定其所需的寬度，以確保低溫

光耦合器是小型 IC，可用于在兩個電氣隔離的接地區域之間橋接數據或感測信號。 光耦合器 (U4) 在 LLC 諧振轉換器中用作反饋環路的一部分，與電流檢測放大器一起精確調節轉換器的開關頻率。

在PDN設計部分，還應該考慮如何將各個部分接地以及如何將接地連接在一起以提供一致的參考電位。 正如我之前提到的，這對于防止 EMI 非常重要。 這應該在開始處理 PCB 布局之前完成。

功率開關穩壓器的布局技巧

選擇穩壓器元件、創建原理圖并設計接地/分布策略后，您可以開始考慮 PCB 布局。 開關電源穩壓器的PCB布局需要平衡：需要平衡導體尺寸和電氣間隙要求，但需要使結構緊湊。始終為您的系統實施最小間隙和布線寬度規則。盡可能縮短電壓/電流檢測反饋線，選擇最直接的路線。

您可能需要在驅動器和控制器 IC 周圍收集一些控制和檢測組件，因此請確保在它們之間建立短連接。 這些組件可以聚集在一個狹窄的區域中（見下文）。如果要設計大電流，可以考慮使用較厚的銅甚至金屬芯PCB。不要害怕使用多邊形作為組件或連接器的安裝墊。 直接綁回飛機時要小心，因為您可能需要散熱。

盡管監管機構非常高效，但它們仍然會變得很熱。 確保在布局中留出空間以容納 IC 上的任何散熱器（如果有）。 另一種選擇是使用熱界面材料。

開關電源布局的某些部分可能非常緊湊，并且可能具有更寬的導軌/多邊形。 不要害怕使用這些元件來確保您在安全溫度下運行并創建低電感布局。

開關穩壓器的具體布局指南將取決于拓撲、組件數量、反饋的存在和接地策略。 我希望您在開始 PCB 布局之前已考慮接地以防止 EMI 并提供所需的隔離。 要查看針對您的特定監管機構的更具體指南，請參閱以下附加資源：

• 如何設計升壓調節器

• 隔離與非隔離電源：正確選擇無故障

• LLC 諧振轉換器設計和 PCB 布局

• 低噪聲、低 EMI 穩壓器

我們沒有涵蓋什么？

顯然，上述開關電源和穩壓電路的布局指南需要考慮很多因素。 還缺少什么？ 在上面的討論中，電力調節和傳輸的一些關鍵方面沒有出現：

PDN阻抗：如果您不設計高速/高頻組件，則可能不需要擔心PDN阻抗。 只要確保使用肥沃的電源軌和大量的地面即可。 如果您是為高速/高頻設計的，低PDN阻抗對于抑制紋波非常重要，這通常需要大量的去耦電容器和高的層間電容。

電源EMI：我在上面提到過這一點。