开关电源 PCB 布局指南

2021-08-09

开关电源 PCB 布局指南

电源设计人员了解开关模式电源 PCB 布局所涉及的复杂技术细节和功能要求。布局决定了对电磁干扰 (EMI) 的敏感性、热行为、电源完整性和安全性。良好的布局可确保高效率的功率转换和传输到负载，同时允许热量从布局中的热组件传输出去，并确保电子系统周围的低噪声耦合。安全性也是开关稳压器的一个重要因素，它可能会为输出提供高电流，从而造成安全隐患。

糟糕的布局选择会导致在高电流水平下出现的问题，并且随着输入到输出电压之间的巨大差异变得明显。不良 PCB 布局常见的电源问题包括高输出电流下的稳压损失、输出和开关波形上的过多噪声以及电路不稳定。结合直流电源完整性仿真工具、电路仿真和分析功能以及最佳布局和布线实用程序，设计人员可以确保他们的设备安全可靠。Altium Designer 提供电源 PCB 布局软件和更多有助于防止这些问题的软件。

可帮助您遵循开关模式电源 PCB 布局指南的 PCB 设计软件。

电源面临一系列挑战，需要一整套设计和分析功能来确保它们正常运行。这些设计还可能通过暴露于高压和突然向用户释放电流而造成对用户不利的安全隐患。设计人员如何确保他们能够构建安全、准确和可靠的电源？

开关电源是通过在无功电路中使用开关功率元件在高电流整流交流电和高电压之间进行转换的标准。与典型的 LDO 稳压器相比，这些组件是非线性的，通常使用反馈来维持稳压。在 LDO 中，通过误差放大器饱和来维持调节，从而产生在 PCB 布局中被视为热量的电阻损耗。

虽然从调节和效率的角度来看，开关稳压器是首选，但它们可能难以布局，因为它们涉及更多组件，其中一些将具有更大的寄生效应，如果布置不当，可能容易受到噪声问题的影响。要开始您的下一个电源布局，请遵循这些开关模式电源 PCB 布局指南，以确保您的设计可靠。

开始您的 SMPS PCB 布局

要遵循一些基本的 SMPS PCB 布局规则，这将有助于确保您的设计具有低噪声问题、低辐射 EMI 并保持低温。概括地说，这些指导方针可以概括如下：

尝试通过正确定义接地、在 PCB 布局中放置短布线以及在 PCB 中布置电流隔离部分来保持低 EMI，从而避免噪声耦合。

如果布局中存在噪声、需要包络跟踪等功能或特定噪声源在设计中引起问题，则在需要时使用适当的输入和输出 EMI 滤波器电路。

使用大量铜提供远离重要组件的散热路径。如果需要，您可以考虑独特的外壳设计，以及热组件上的散热器或风扇。

放置快速开关、高电流电路（如 MOSFET 阵列），以便在开关事件期间设计中没有寄生振荡。

监管机构，例如 Underwriter Laboratories 和 IEC 测试电源的辐射电磁干扰 (EMI)、传导 EMI、稳定性、效率和工作寿命。FCC 和 CE 法规还对开关模式电源的辐射设置了限制，因为这些设备可能是无意的散热器。Altium Designer 提供了您需要的电路分析工具来了解有关器件电气行为的更多信息，PCB 布局工具可以帮助您在考虑模拟电气规范的同时创建满足上述要求的布局。

定义地面时要小心

要考虑的第一个开关模式电源 PCB 布局指南是如何在布局中定义接地。在设计开关电源电路时，请记住存在五个接地点。这些可以分成不同的导体以确保电流隔离。这些是：

输入大电流源地

输入大电流电流回路地

输出大电流整流地

输出大电流负载地

低层控制地

这些接地连接中的每一个都可能存在于物理上分开的导体中，具体取决于转换器、整流器或稳压器电路中电流隔离的需要。如果接地是电容耦合的，您的电源电路可能会允许共模噪声，例如通过附近的导电外壳通常会发生这种情况。PCB 中的接地区域应在隔离组件的每一侧明确定义，例如

如果由于某种原因确实需要桥接接地以消除某些 DC 偏移，则 Y 级电容器是最佳选择，因为它提供了高频滤波并消除了接地区域之间的 DC 偏移。

每个大电流接地都用作电流回路的一个支路，但它的布局应为电流提供低阻抗返回路径。这可能需要多个通孔返回接地层，以允许低等效电感的高电流。这些点及其相对于系统接地的电位成为测量在电路不同点之间传导的直流和交流信号的点。由于需要防止来自大电流交流接地的噪声逸出，适当的滤波电容器的负极端子用作大电流接地的连接点。

定义地面区域的最佳做法是使用大平面或多边形浇筑。这些区域提供了低阻抗路径来驱散来自 DC 输出的噪声，并且它们可以处理高返回电流。它们还提供了在需要时将热量从重要组件传输出去的路径。在两侧放置接地层可吸收辐射 EMI、降低噪声并减少接地环路误差。在用作静电屏蔽和消散涡流中的辐射 EMI 的同时，接地层还将电源线和电源层的组件与信号层组件分开。Altium Designer 的 CAD 工具可以轻松定义 PCB 布局中的接地并放置大导体以用作 PCB 中的接地区域。尤其是在使用开关电源时，

设计中的接地区域可以根据其功能赋予多个名称。在设计中定义接地区域时要小心，并确保将它们正确链接在一起。 

接地层在电源 PCB 布局之外的系统中也很重要。确保将连接定义为具有低阻抗而不影响装配。 

共模噪声和传导纹波是 PCB 布局中的主要噪声源，当噪声极端时，它们会导致设计无法通过 EMI 测试。 

电源层和接地层提供低阻抗连接，同时提供远离系统重要部分的散热路径。

原理图编辑器协助布局

接地是开始设计的重要位置，因为它将决定 PCB 布局的抗噪性和可布线性。然而，这并不是电源设计的唯一考虑因素。开关动作和 EMI 抑制内置于电源中，需要在 PCB 中明确定义。

在哪里进行接地连接

SMPS 控制器精确调节输出电压的能力取决于低电平控制地的连接。当您使用集成电路、输入电容器、输出电容器和输出二极管时，请确保这些组件连接到接地层。接地连接连接到控制 IC 及其相关电路测量交流电流、直流电流、输出电压和其他主要参数的点。将低电平接地连接到电流检测电阻器或输出分压器的下侧可防止控制电路检测共模噪声。

设计切换动作

SMPS 通过在截止工作状态和饱和工作状态之间快速切换传输单元并向输出负载提供恒定功率来工作。在截止时，通过单元上存在高电压，但没有电流流动。在饱和时，高电流以非常小的电压降流过通过单元。由于半导体开关从直流输入电压产生交流电压，SMPS 可以通过变压器升压或降压，然后在输出端将电压过滤回直流。

脉宽调制 (PWM) 开关电源在正向模式或升压模式下运行。正向模式电源在输出端有一个 LC 滤波器，它根据从滤波器获得的输出的伏特时间平均值产生直流输出电压。为了控制信号的电压时间平均值，开关电源控制器改变输入矩形电压的占空比。

降压转换器与升压转换器

当电源开关打开时，升压转换器模式电源将电感器直接连接到输入电压源。电感电流从零开始增加并在关闭电源开关的同时达到峰值。输出整流器钳位电感器输出电压并防止电压超过电源输出电压。当存储在电感器核心中的能量传递到输出电容器时，电感器的开关端子回落到输入电压的电平。

同时，降压转换器模式电源使用相同的组件，但采用不同的拓扑结构将电感器的反电动势钳位在低于输入电压的水平。开关动作提供与升压转换器相同的效果，其中输出电流与充电/放电电容器竞争而振荡，从而实现输出功率的调节。两种类型的稳压器/转换器拓扑都允许开关噪声传播到设计中的输出端口，这可以看作是输出上的高频纹波。

降压和升压转换器布局可以承载高电流，需要大多边形来容纳热量并防止功率损耗。 

电源布线有助于确保低噪声运行

开关电源传导高频噪声，直到噪声频率达到开关频率的大约 100 倍。然后，噪声频率以每十倍频程 -20 到 -40 dB 的速率下降。由于开关稳压器在“开”和“关”电源状态下运行，具有锐边的大电流脉冲在开关电源电路中流动，因此会产生 EMI。ON 和 OFF 电源状态之间的转换会产生 EMI，如果电源布局中的电流环路太大，则可能会在系统中的其他地方感应出 EMI。开关电源电路由电源开关回路和输出整流回路组成，需要正确布线以防止噪声过大。

布置电源时，要特别注意回路的周长和走线的长度和宽度。保持环路周长较小可消除环路作为低频噪声天线工作的可能性。从电路效率的角度来看，更宽的走线还为电源开关和整流器提供了额外的散热。您可以使用主动布线引擎来实现人工布线结果并安排您的组件以允许开关电流回路在同一方向上传导。随着电流回路以相同方向传导，控制电路耦合到布局中的特定位置。因此，磁场不能沿着位于两个半周期之间的走线反向并产生辐射 EMI。

Altium Designer 的布线工具可帮助您轻松地为高电流/高电压线放置多边形，或者为数据和控制线放置更细的走线。 

在处理电源布局时，保持处理高开关电流的走线短、直且粗。IPC 标准可用于计算推荐的走线宽度，但经验法则是每安培的最小宽度为 15 密耳。 

SMPS 内的 EMI 滤波器可抑制由直流输入和输出接线中传导的高频电流引起的高频噪声。您可以使用库和 Altium Content Vault 中的集成组件定价和可用性以及数据表链接来设计提供最佳结果的过滤器。 

此 PCB 布局中的组件靠得很近，并使用短而直接的走线布线。

SMPS 交流电压节点的 PCB 布局技巧

根据 SMPS 配置，交流电压节点存在于功率 MOSFET 的漏极或 BJT 的集电极和输出整流器的阳极。这些节点中的每一个都可以具有高交流电压。例如，MOSFET 漏极处的峰峰值交流电压可以测量为输入电压的一到两倍。漏极通过绝缘体固定在散热器上，接地散热器为电容耦合噪声提供了路径。您可以使用 Altium Designer 中的 PCB 布局工具将易受影响的信号放置在同一侧，而不是在嘈杂的交流节点下方。此外，您可以交叉影线位于节点下方的任何接地平面以消除噪声。

表面贴装环境具有较小的电容值，但会将噪声耦合到敏感信号中。由于这些因素，您的布局还需要解决交流节点电压电容耦合到散热器或相邻接地层的可能性。在布局表面贴装 PCB 设计时，使节点足够大以用作电源开关或整流器的散热器。一些多层设计通过使 AC 节点下方的所有层与 AC 节点相同并使用镀通孔连接这些层来增加设计的热质量。

Altium Designer 为您提供完整的设计和布局工具集

Altium Designer 中完整的 PCB 设计和布局功能为您提供了创建可靠和安全电源系统所需的工具。您还可以创建和仿真重要的电源电路拓扑和 EMI 滤波器，它们可用于任何应用，从大功率直流系统到高频交流系统。Altium Designer 的 PDN Analyzer 插件为您的电路直流电流和电压分析提供了最佳资源。为开关模式电源设计 PCB 布局似乎令人生畏，但 Altium Designer 提供的工具可将电源的复杂性分解为易于理解的任务。

Altium Designer 为您提供将您的想法变为现实所需的一切。您可以在 Altium Designer 中构建从简单的 MOSFET 电路到高级 RF 电源设计的任何内容。 

Altium Designer 中的 PDN Analyzer 扩展使用户能够通过行业标准的直流电源完整性仿真来分析他们的电源输出。 

所有 Altium Designer 用户都可以通过 Altium 365 平台共享他们的电源设计。设计团队使用 Altium 365 在安全的云环境中保持生产力并共享设计数据。 

使用最佳 CAD 工具为 Altium Designer 中的任何应用程序创建您的 PCB 布局。

Altium 的目标一直是在统一的设计界面中为用户提供流线型的设计体验。Altium Designer 中的原理图编辑器、PCB 编辑器、SPICE 仿真包、布线功能和仿真工具为您提供构建安全、可靠、无噪声电源所需的一切。当您需要一整套组件创建和管理工具时，请使用业界最佳的 ECAD 实用程序来创建和模拟您的设计。