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开关电源PCB设计一

已有 1187 次阅读2010-11-4 03:03 |系统分类:PCB| PCB设计

2010-10-19 15:12

目的

为何你需要关注客户是如何规划他们电源板的PCB设计，其相关要点如下：

一个好的PCB设计，将会使得器件发挥到最高的性能。
一个好的PCB设计，将会大大减少产品支持的时间和费用。
一个好的PCB设计，将会给产品和客户带来战略优势。
一个好的PCB设计，将会给产品带来更高的利润回报。

更高的di/dt回路

什么是di/dt问题

板子上面的所有器件，包含PCB的走线，都是带有寄生电感（L）、寄生电阻（R）和寄生电容（C）。
当通过带有寄生电感（L）器件的电流变化比较大时，即di/dt比较大，将会产生电压噪声。
尽可能的避免这些电压噪声传导到地平面。
- 通过观察基本的拓扑结构，也许会怀疑为何会产生电压噪声，它们是怎么产生的呢？这里有一个电感，它是工作在连续导通模式，且带有输出。因此，按照定义，不可能存在高的di/dt电流从电容输出，也就不可能有电压噪声输出。然而，在实际情况下电压噪声是无处不在的。
- 高的di/dt将会在我们的板子上产生干扰，且在整个电路里将会存在电压噪声。尤其是在高频器件周围，容易产生这种电压噪声，而且将会导入地平面。因此，PCB设计的目标是保证地平面的干净。
- 我们总是设法去控制高di/dt电流造成的干扰，然而，在我们决定如何去控制它之前，需要对这个理论有一定的了解。

定位di/dt回路


上面框图可以帮助我们分析和发现di/dt回路，图中，通过观察开关的不同状态，而用不同的颜色标出电流的回路。比如，当开关打开时，电流从输入电容流出，经过开关、电感，然后到输出电容，最后经过地平面回到输入电容。而在另一状态，开关关闭时，电感会强制保持电流的流行，使得电流从电感出发，经过输出电容、低平面和二极管，最后回流到电感。分析可知，红色标志的那一段回路是高di/dt的回路，因此在走线时，特别需要注意！

修复高di/dt

上面实
例里，需要修复的走线是，将二级管的A极直接走线到输入电容的地端，且尽可能的短。这样使得电流以连续的方式经过地平面，且其大小等于流经电感的电流。若
是能够保证二极管的A极直接与输入电容相连，则它们之间的走线并不需要特别的短。当然，对于一个同步调节器，上面的分析完全应用于低端FET源（low-
side FET）端的连接。

低端FET的接地

不可以将低端FET源直接连接到低平面，否则，将会产生电压噪声。取而代之的是，将一块独立的铺铜将FET的源和输入电容的地向连，然后通过过孔将电容的地焊盘连接到地平面。

接地

Varga接地规则

Varga接地第一条规则：虚地
由于没有电流从地平面流过，所以地平面可以被认为真正的参考平面。
尽可能的避免电流噪声从主地平面流过，尽可能在顶层通过独立的铺铜来导通。
对于任何敏感的电流都通过单点接地。
分割模拟地和电源地。

我

们知道，由于地平面和任何其它的导线一样都是具有一些寄生的参数，因而任何的电流流过地平面时都将会产生相应的压降。所以说，在地平面没办法指出哪一个点

可以作为整个电路的参考电压点。除非在板子上面找到这样的一个参考点，其低平面所有的回路参考这一点的回流电流都为零，否则，如果忽略这个问题，将会产生
致命的危险。

这

种问题的解决方案就是尽可能的分割参考地，使得相对于高电流地平面的回流路径，其控制信号获得更精确的参考地。对于控制电路，如反馈分压电阻和软启动电容
这些，尽可能的与控制芯片的SGND直接连接与同一片地。在下方主地平面，也许或存在大电流，从而会产生电压梯度，这时，如果将反馈分压直接接到此地平

面，或许将会在输出参数几个mV的电压波动。也许，将反馈电阻与芯片的SGND直接相连，会增加走线的难度，但是为了设计电流能够正常的工作，有时候我们
也是必须要这样做的。

Dutra接地规则

不要分割地平面。
稳固的地平面，使得EMI的一个短。
对地管脚进行去耦，而不是对地平面去耦。
尽可能使地铺铜直接放在顶层。
尽可能将高的di/dt回路放在顶层。
地平面作为DC配电，仅仅作为信号参考。

保证第2层为连续的地平面，使其作为DC电流回路和RF超高频信号的返回路径。但是，应该避免将这个地平面作为模拟地的返回路径，否则将会影响控制电路的工作。同时，小心处理高di/dt电流回路，尽可能的将它们远离此地平面。

一个比较好的解决方案是，将所有小信号的地直接从控制芯片的SGND管脚以菊花链的方式引出来。将顶层一大片的铺铜，最后通过单点的方式连接到主地平面，使得不会将高di/dt回路带入主地平面。

其它接地规则

确保地线有足够宽的走线
在所有过孔添加完毕后，确保地平面的完整性
在超过5A电流的设计时，确保有2oz的走线
可能的话，采用多层地平面

通常情况下，都会将地平面认为是一个稳固的理想的参考平面。但是，很多情况下忽略了一些事实，比如，有时候地平面会承载很大的电流，这时候也许就不是一个理想的参考平面。另外，有时候很多过孔穿过地平面时，也许会将平面无意中分割掉。

高电流走线要求

走线宽度计算公式

工

程师在设计的时候，很容易忽略走线宽度的问题，因为在数字设计时，走线宽度不在考虑范围里面。通常情况下，都会尝试用最小的线宽去设计走线，这时，在大电

流时，将会导致很严重的问题。下面的公式用于计算线宽与电流之间的关系，已经应用了几十年，通过这个公式可以很合理的去计算走线的宽度。当然，在大电流走
线时，走线越宽越好。

高频去耦电容

T：表示线宽(mils)
A：表示电流(A)
CuWt：Wight/ounce

以上公式适用于1A到20A的电流。

对
于高速叠层板来说，倾向于采用1/2oz的铜箔，这样有利于采用更薄的材料去蚀刻走线。但是这么薄的铜箔，对于电源来说是很不理想的。所以，如果可能的

话，对于内层的地平面采用2oz的铜箔，因为它没有走线，也就不需要去蚀刻。很多PCB实验工厂可以进行选择性的对外层进行电镀，这可以对于大电流的走线
进行金属加厚处理，但是这将会增加PCB成本。如果可以采用多层设计的话，那么就可以通过使用大量的过孔对它们进行互联。

走线宽度实例

下面为根据不同的电流，其走线宽度的案例
- 对于1A和1oz的铜箔，走线宽度在12mils
- 对于5A和1/2oz的铜箔，走线宽度在240mils
- 对于20A和1/2oz的铜箔，走线宽度在1275mils

对于大电流的切换回路，尽可能采用宽的铺铜

曾经看到有人对于10A的电流采用50mil线宽的1/2oz铜箔，显然这个将会成为一条保险丝。切记，板子边缘的铜箔是PCB散热的主要路径，由于铜的热阻明显小于板子材料玻璃纤维，因此，板子放置越多的铜箔，则其越易于散热。

过孔因素

对于1A走线，可以采用微型孔
对于2A走线，可以采用14mils直径的过孔
对于5A走线，可以采用40mils直径的过孔
为了更好的散热，可以用过孔来填充焊料

很多时候过孔是很危险的，如果可能的话，在承载电流器件的回路尽可能的避免放置过孔。当然，过孔也有散热的功能，它可以将PCB反面的热量带到PCB的正面，以便于方面的散热。对于发热比较厉害的区域，使用越多的过孔，则更加有利于将此区域的热量带出来。

过孔之间的窄道

内部平面也许会被过孔给分割掉，这时，需要如下图所示留出一条通道出来。

对于大电流区域，需要注意是否有地平面被过孔给分割掉，若有的话，则需要分割出一条窄道出来。

板子叠层和去耦电容

板子叠层

通常叠层需要遵循以下原则：

信号和电源，往往电源器件摆放着一层
地平面
信号和电源
信号和电源

通常电源器件之间的关键走线放在顶层，以确保缩短高电流走线之间的距离。

第2层通常作为系统地平面，这一层必须确保干净的平面，避免噪声的产生。

第3层通常作为系统电源用，在很多设计中，这层不作为信号走线，当然也不是说都不走线，有时候也作为关键信号的走线，比如一些敏感的电流信号，在这层可以得到很好的保护。

第4层也作为信号和电源来走线，如果背面允许摆放器件的话，这时候通常会将一些开关器件和PWM控制器摆放在这一层。

高频去耦电容

高频去耦电容需要以最短的走线与器件相连，以降低其寄生电感。如果有时候必须要通过过孔相连接时，则最好将过孔相切与焊盘相连，下图为过孔的连接方式。

输出去耦电容

如下图所示的去耦电容的连接方式，输出电容需要从焊盘上引线与其它器件相连，左边的连接方式显然是不合理的，由于它存在高的寄生电感。最好的连接方式是将走线直接从电容的焊盘上引出，这样会降低其寄生电容。

而右边的连接方式就是比较合理了，走线直接从电容的焊盘上引出，大大降低其寄生电感。注意，这种接法电流路径直接流向电容焊盘，而输出也是直接从电容焊盘流出，从而减少电容到输出线之间的寄生电感。如果有多种电容去耦的话，则最好将所有放在顶层的器件通过铺铜进行连接。若需要将电容连接到地或者是电源平面，那么最好通过大量的过孔连接过去。