【導讀】工程課程一般不會教授如何實現(xiàn)良好的電路板布局布線。高頻RF類課程會研究走線阻抗的重要性，但需要自行構建系統(tǒng)電源的工程師，通常不會將電源視為高頻系統(tǒng)，而忽視了電路板布局布線的重要性。了解本文所述電路板布局布線準則背后的理由并嚴格遵守，將能夠把開關模式電源的任何PCB相關問題降到最小。
開關模式電源用于將一個電壓轉換為另一個電壓。這種電源的效率通常很高，因此，在許多應用中，它取代了線性穩(wěn)壓器。
開關頻率與開關轉換
開關模式電源以一定的開關頻率工作。開關頻率既可以是固定的(例如在PWM型控制中)，也可以根據(jù)某些因素而變化(例如在PFM或遲滯型控制中)。無論何種情況，開關模式電源的工作原理，都在于它有一定的開啟時間Ton和一定的關閉時間Toff.一個50%占空比的典型開關周期。這意味著，在完整周期T的50%時間里，轉換器中有某一電流;在另外50%時間里，轉換器中有不同的電流。
當我們考慮系統(tǒng)噪聲時，實際的開關頻率(換言之，周期長度T)并不是很重要。如果它在系統(tǒng)的敏感信號頻率范圍內(nèi)，開關頻率或其諧波可能會影響系統(tǒng)。但一般而言，開關頻率并不是影響系統(tǒng)的最大因素。
在開關模式電源中，真正重要的是開關轉換的速度。我們可以看到開關轉換在時間標度上的放大圖。在周期T為2us的時間標度上，對于500kHz PWM開關頻率，轉換看起來像是一條垂直線。但放大后，我們可以看到，開關轉換通常需要30到90ns的時間。
為什么良好的PCB布局布線非常重要?
每2.5cm PCB走線具有大約20nH的走線電感。確切的電感值取決于走線的厚度、寬度和幾何形狀，但根據(jù)經(jīng)驗，一般取20nH/2.5cm切實可行。假設一個降壓穩(wěn)壓器提供5A的輸出電流，我們將會看到電流從0A切換到5A.當開關電流很大且開關轉換時間很短時，我們可以利用下面的公式，計算微小的走線電感會產(chǎn)生多大的電壓偏移：
假設走線長2.5cm(20nH)，輸出電流為5A(降壓穩(wěn)壓器中的5A開關電流)，MOSFET功率開關的轉換時間為30ns，那么電壓偏移將是3.33V.
由此可見，僅僅2.5cm的走線電感就能產(chǎn)生相當大的電壓偏移。這種偏移甚至常常導致開關模式電源完全失效。將輸入電容放在離開關穩(wěn)壓器輸入引腳幾厘米的地方，通常就會導致開關電源不能工作。在布局布線不當?shù)碾娐钒迳?，如果開關電源仍能工作，它將產(chǎn)生非常大的電磁干擾(EMI)。
在上面的公式中，我們唯一能改變的參數(shù)是走線電感。我們可以使走線盡可能短，從而降低走線電感。較厚的銅線也有助于降低電感。由于負載所需的功率固定，因此我們無法改變電流參數(shù)。對于轉換時間而言，我們可以改變，但一般不想改變。減慢轉換時間可以降低產(chǎn)生的電壓偏移，從而降低EMI，但是開關損耗卻會提高，我們將不得不以較低的開關頻率并利用昂貴而龐大的電源器件工作。
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找到交流電流走線
在開關模式電源的PCB布局布線中，最重要的準則是以某種方式使交流走線盡可能短。如果能認真遵守這一準則，良好的電路板布局布線可以說已經(jīng)成功了80%.為了找到這些在很短的時間(轉換時間)內(nèi)將電流從"滿電流"變?yōu)?quot;無電流"的交流走線，我們將原理圖繪制了三次。它是一個簡單的降壓型開關模式電源。在頂部的原理圖中，我們用虛線畫出了開啟時間內(nèi)電流的流動。在中間的原理圖中，我們用虛線畫出了關閉時間內(nèi)電流的流動。底部的原理圖特別值得注意。這里，我們畫出了電流從開啟時間變?yōu)殛P閉時間的所有走線。
通過這種方法，我們可以輕松找到任何開關模式電源拓撲結構的交流電流走線。
在評估現(xiàn)有的電路板布局布線時，一個好的辦法是將其打印在紙上，并放上一張透明的塑料板，然后用不同顏色的筆，畫出開啟時間和關閉時間內(nèi)的電流流向及相應的交流走線。雖然我們傾向于認為，能夠在頭腦中完成這一相對簡單的工作，但在思維過程中，我們常常會犯一些小錯誤，因此，強烈建議在紙上繪出走線。
實現(xiàn)良好的PCB布局布線
降壓穩(wěn)壓器的交流走線。必須注意，某些接地走線也是交流走線，同樣需要保持盡可能短。此外，對于這些交流電流路徑，建議不要使用任何過孔，因為過孔的電感也相當高。對于這一規(guī)則，僅有非常少的例外情況。如果交流路徑不使用過孔，將實際導致比過孔本身更大的走線電感，那么建議使用過孔。多個過孔并聯(lián)優(yōu)于僅使用單個過孔。
電感的特殊考慮
在EMI方面，我們也必須考慮電感。實際器件并不像許多人認為的那樣對稱。電感有一個磁芯，磁芯周圍繞著電線。繞組總有一個起始端和一個結束端。起始端連接到電感的內(nèi)繞組，結束端從電感的外繞組接出。繞組的起始端通常在器件上標有一個圓點。將起始端連接到高噪聲開關節(jié)點，將結束端連接到安靜的電壓非常重要。對于降壓穩(wěn)壓器，安靜的電壓就是輸出電壓。這樣，外繞組上的固定電壓，可以在電氣上屏蔽內(nèi)繞組上的交流開關節(jié)點電壓，從而電源的EMI將會較低。
順便提一下，所謂的屏蔽電感也是如此。具有一定磁導率的屏蔽電感的外部，確實使用了某種屏蔽材料，該材料會收緊封裝側的大部分磁力線。然而，這種材料只能抑制磁場，而不能抑制電場。外繞組上的交流電壓主要是電氣或容性耦合引起的問題，屏蔽電感的屏蔽材料沒有抑制此類耦合。因此，屏蔽電感也應放在電路板上，以便將高噪聲開關節(jié)點連接到繞組起始端，從而將EMI降到最低。
開關模式電源良好電路板布局布線的基礎
工程課程一般不會教授如何實現(xiàn)良好的電路板布局布線。高頻RF類課程會研究走線阻抗的重要性，但需要自行構建系統(tǒng)電源的工程師，通常不會將電源視為高頻系統(tǒng)，而忽視了電路板布局布線的重要性。電路板布局布線不當引起的大多數(shù)問題，都可以歸結為未控制交流電流走線盡可能短并且緊湊。了解本文所述電路板布局布線準則背后的理由并嚴格遵守，將能夠把開關模式電源的任何PCB相關問題降到最小。
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