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隔离|【干货分享】非隔离式开关电源PCB布局设计( 二 )


二、功率级的布局
开关电源电路可以分为功率级电路和小信号控制电路两部分 。 功率级电路包含用于传输大电流的元件 ， 一般情况下 ， 要首先布放这些元件 ， 然后在布局的一些特定点上布放小信号控制电路 。
大电流走线应短而宽 ， 尽量减少PCB的电感、电阻和压降 。 对于那些有高di/dt脉冲电流的走线 ， 这方面尤其重要 。
图2给出了一个同步降压转换器中的连续电流路径和脉冲电流路径 ， 实线表示连续电流路径 ， 虚线代表脉冲(开关)电流路径 。 脉冲电流路径包括连接到下列元件上的走线：输入去耦陶瓷电容CHF ， 上部控制FET QT以及下部同步FET QB ， 还有选接的并联肖特基二极管 。
图3a给出了高di/dt电流路径中的PCB寄生电感 。 由于存在寄生电感 ， 因此脉冲电流路径不仅会辐射磁场 ， 而且会在PCB走线和MOSFET上产生大的电压振铃和尖刺 。 为尽量减小PCB电感 ， 脉冲电流回路(所谓热回路)布放时要有最小的圆周 ， 其走线要短而宽 。
高频去耦电容CHF应为0.1μF~10μF ， X5R或X7R电介质的陶瓷电容 ， 它有极低的ESL(有效串联电感)和ESR(等效串联电阻) 。 较大的电容电介质(如Y5V)可能使电容值在不同电压和温度下有大的下降 ， 因此不是CHF的最佳材料 。
图3b为降压转换器中的关键脉冲电流回路提供了一个布局例子 。 为了限制电阻压降和过孔数量 ， 功率元件都布放在电路板的同一面 ， 功率走线也都布在同一层上 。 当需要将某根电源线走到其它层时 ， 要选择在连续电流路径中的一根走线 。 当用过孔连接大电流回路中的PCB层时 ， 要使用多个过孔 ， 尽量减小阻抗 。
【隔离|【干货分享】非隔离式开关电源PCB布局设计】
图4显示的是升压转换器中的连续电流回路与脉冲电流回路 。 此时 ， 应在靠近MOSFET QB与升压二极管D的输出端放置高频陶瓷电容CHF 。
图5 显示的是升压转换器中的热回路与寄生PCB电感（a）；为减少热回路面积而建议采用的布局（b）
图5是升压转换器中脉冲电流回路的一个布局例子 。 此时关键在于尽量减小由开关管QB、整流二极管D和高频输出电容CHF形成的回路 。 图6提供了一个同步降压电路的例子 ， 它强调了去耦电容的重要性 。
图6a是一个双相12VIN、 2.5VOUT/30A(最大值)的同步降压电源 ， 使用了LTC3729双相单VOUT控制器IC ， 在无负载时 ， 开关结点SW1和SW2的波形以及输出电感电流都是稳定的(图6b) 。 但如果负载电流超过13A ， SW1结点的波形就开始丢失周期 。 负载电流更高时 ， 问题会更恶化(图6c) 。
在各个通道的输入端增加两只1μF的高频陶瓷电容 ， 就可以解决这个问题 ， 电容隔离开了每个通道的热回路面积 ， 并使之最小化 。 即使在高达30A的最大负载电流下 ， 开关波形仍很稳定 。
三、高DV/DT开关区
图2和图4中 ， 在VIN(或VOUT)与地之间的SW电压摆幅有高的dv/dt速率 。 这个结点上有丰富的高频噪声分量 ， 是一个强大的EMI噪声源 。 为了尽量减小开关结点与其它噪声敏感走线之间的耦合电容 ， 你可能会让SW铜箔面积尽可能小 。 但是 ， 为了传导大的电感电流 ， 并且为功率MOSFET管提供散热区 ， SW结点的PCB区域又不能够太小 。 一般建议在开关结点下布放一个接地铜箔区 ， 提供额外的屏蔽 。
如果设计中没有用于表面安装功率MOSFET与电感的散热器 ， 则铜箔区必须有足够的散热面积 。 对于直流电压结点(如输入/输出电压与电源地) ， 合理的方法是让铜箔区尽可能大 。
多过孔有助于进一步降低热应力 。 要确定高dv/dt开关结点的合适铜箔区面积 ， 就要在尽量减小dv/dt相关噪声与提供良好的MOSFET散热能力两者间做一个设计平衡 。

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