如今的車(chē)充電源越來(lái)越緊湊,性能也日益強(qiáng)大,而越來(lái)越高的開(kāi)關(guān)頻率是設(shè)計(jì)人員面臨的主要問(wèn)題之一,正是它使得PCB的設(shè)計(jì)越來(lái)越困難.事實(shí)上,PCB版圖已經(jīng)成為區(qū)分好與差的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的分水嶺.本文針對(duì)如何一次性創(chuàng)建優(yōu)秀PCB版圖提出一些建議.
考慮一個(gè)將24V降為5V的2A開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器.設(shè)計(jì)這樣一個(gè)10W穩(wěn)壓器初看起來(lái)不會(huì)太困難,設(shè)計(jì)人員可能很快就可以進(jìn)入實(shí)現(xiàn)階段.不過(guò),讓我們看看在實(shí)際會(huì)遇到哪些問(wèn)題.如果我們採(cǎi)用帶散熱墊的TO-220封裝.對(duì)體積或效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要大容量的電感和電容,從而需要佔(zhàn)用較大的PCB空間.如表1的選擇.

表1:
值得注意的是,最高效率是84%,且此最高效率也是當(dāng)輸入-輸出間的壓差很低時(shí)實(shí)現(xiàn)的.此例中,最大輸入/輸出比大於5.

圖1:簡(jiǎn)化的開(kāi)關(guān)電源電路圖.
圖1 所示的簡(jiǎn)化電路圖對(duì)瞭解基本情況幫助甚大.看一看電流通路:把內(nèi)部開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下的回路標(biāo)記為紅色;把內(nèi)部開(kāi)關(guān)在截至狀態(tài)下的回路標(biāo)記為綠色.我們可以觀察 到兩種不同情況:有兩種顏色的區(qū)域和僅一種顏色的區(qū)域.我們必須特別關(guān)注後一種情況,因此時(shí)電流在零和滿(mǎn)量程之間交替變化.這些是具有高di/dt的區(qū)域.
高di/dt的交變電流將在PCB導(dǎo)線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生顯著的磁場(chǎng),該磁場(chǎng)將成為該電路內(nèi)其他器件甚至同一或鄰近PCB上其他電路的主要干擾源.假定這不是交變電流,那麼公共電流通路並不是太重要,di/dt的影響也小得多.另一方面,隨著時(shí)間變化,這些區(qū)域?qū)⒊休d更大負(fù)載.本例中,從二極體陰極到輸出以及從輸出地到二極體陽(yáng)極就是公共通路.當(dāng)輸出電容器充放電時(shí),該電容會(huì)產(chǎn)生很高的di/dt.連接輸出電容的所有線(xiàn)段必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件:因?yàn)殡娏鞔?因此它們的寬度要寬;為了最小化di/dt的影響,它們又必須儘量短.
PCB版圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)
實(shí)際上,設(shè)計(jì)人員不應(yīng)採(cǎi)用把導(dǎo)線(xiàn)從Vout和地引至電容的方法實(shí)現(xiàn)所謂的傳統(tǒng)版圖.這些導(dǎo)線(xiàn)將承載很大的交變電流,因此將輸出和地直接連至電容端子是個(gè)更好的方法.這樣交替變化的電流僅表現(xiàn)在電容上.連接電容的其他導(dǎo)線(xiàn)現(xiàn)在承載的幾乎是恒定電流,因而與di/dt相關(guān)的任何問(wèn)題得到了很好的解決.地是另一個(gè)經(jīng)常被誤解的難題.簡(jiǎn)單地在“第2層”放置一個(gè)地平面,並將全部地線(xiàn)連接到這一層不會(huì)有很好的效果.

圖2:將輸出和地直接連至電容端子是個(gè)更好的方法.
讓我們看看為什麼.我們的設(shè)計(jì)例子有高達(dá)2A的電流必須從地流回源(一個(gè)24V汽車(chē)電池或一個(gè)24V電源).在二極體、COUT、CIN和負(fù)載的地連接處會(huì)有較大電流,而開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的地連接流經(jīng)的電流小.同樣情況也適用於電阻分壓器的參考地.若上述全部地引腳都連至一個(gè)地平面,將出現(xiàn)地線(xiàn)反彈現(xiàn)象.雖然很小,但電路中的敏感點(diǎn)(如藉以獲得回饋電壓的電阻分壓器)將不會(huì)有穩(wěn)定的參考地.這樣,整個(gè)穩(wěn)壓精度將受到極大影響.實(shí)際上,隱藏在第二層地平面中的源還會(huì)產(chǎn)生“振鈴”現(xiàn)象,而且非常難以定位.
此外,大電流連接必定用到連接地平面的過(guò)孔,而過(guò)孔是另一個(gè)干擾和噪音源.把CIN地連接作為電路輸入和輸出側(cè)所有大電流地導(dǎo)線(xiàn)的星型節(jié)點(diǎn)是個(gè)較好的解決方案.這個(gè)星型節(jié)點(diǎn)連接地平面和兩個(gè)小電流地連接(IC和分壓器).

圖3:
現(xiàn)在地平面會(huì)很潔淨(jìng):沒(méi)有大電流、沒(méi)有地線(xiàn)反彈.所有大電流地是以星型連接到CIN地.所有設(shè)計(jì)人員必須要做的事是使(全部在PCB頂層的)地導(dǎo)線(xiàn)盡可能短而粗.
需要檢查的節(jié)點(diǎn)是那些高阻抗節(jié)點(diǎn),因?yàn)樗鼈兒苋菀妆桓蓴_.最關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是IC的回饋管腳,其信號(hào)取自電阻分壓器.FB管腳是放大器(如1500)的輸入.在兩種情況FB點(diǎn)的阻抗都相當(dāng)高.因此,電阻分壓器應(yīng)放置在FB管腳的右側(cè),從電阻分壓器中間連一條短導(dǎo)線(xiàn)到FB. 從輸出到電阻分壓器的導(dǎo)線(xiàn)是低阻抗的,可用較長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)連至電阻分壓器.這裏要緊的是佈線(xiàn)方法而非導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度.而其他節(jié)點(diǎn)就並非如此關(guān)鍵了.所以不必?fù)?dān)心開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)、二極體、COUT、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC的VIN 管腳或者CIN.
佈線(xiàn)方法
佈線(xiàn)方法將給電阻分壓器帶來(lái)差別.該導(dǎo)線(xiàn)從COUT連至電阻分壓器,它的地回到COUT.我們必須確保該回路不形成一個(gè)開(kāi)放區(qū)域.開(kāi)放區(qū)域會(huì)起到接收天線(xiàn)的作用.如果我們能保證導(dǎo)線(xiàn)下的地平面沒(méi)有干擾,那麼由導(dǎo)線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)下的地以及第1層和第2層之間的一段距離圍成的區(qū)域應(yīng)該也是沒(méi)有干擾的.現(xiàn)在明白了,為什麼地不應(yīng)放在第4層,因?yàn)榫嚯x顯著增加了.
另一種方法是將電阻分壓器的地連接佈線(xiàn)在第1層,並且使兩條導(dǎo)線(xiàn)並行並盡可能靠近以使區(qū)域更小.這些觀點(diǎn)適用於信號(hào)流經(jīng)的全部導(dǎo)線(xiàn):感測(cè)器連接、放大器輸出、ADC或音頻功放的輸入.應(yīng)對(duì)每個(gè)類(lèi)比信號(hào)進(jìn)行處理,以減少它們拾取雜訊的可能性.

圖4:
只要有可能就儘量縮小開(kāi)放的電路板區(qū)域面積的要求對(duì)低阻抗導(dǎo)線(xiàn)也同樣適用;在這種情況我們有一個(gè)潛在的向PCB其他部分或其他設(shè)備發(fā)射干擾信號(hào)的源(“天線(xiàn)”).需要重申的是,開(kāi)放電路板區(qū)域面積越小越好.
另外兩條導(dǎo)線(xiàn)也很關(guān)鍵,第一條是從IC的開(kāi)關(guān)輸出到二極體和電感節(jié)點(diǎn);第二條是從二極體到該節(jié)點(diǎn).這兩條導(dǎo)線(xiàn)無(wú)論是在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通還是二極體流過(guò)電流時(shí)都有很高的di/dt,所以這些導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)盡可能短而粗.從該節(jié)點(diǎn)到電感以及從電感到COUT的導(dǎo)線(xiàn)就不那麼關(guān)鍵.在本例中,電感電流相對(duì)恒定而且變化緩慢.我們所要做的是確保它是低阻抗點(diǎn)以最小化壓降.
實(shí)際樣例分析

圖5:比較好的開(kāi)關(guān)電源版圖設(shè)計(jì).
圖5是一個(gè)比較好的版圖設(shè)計(jì).主要元件是1512與外部FET配合使用.注意CIN附近的空間,該電容的接地點(diǎn)直接連至二極體陽(yáng)極.你無(wú)法使“電源地”內(nèi)的導(dǎo)線(xiàn)更短!FET[SW]可向上移動(dòng)幾毫米以縮短陰極-電感-FET之間的導(dǎo)線(xiàn).
COUT 區(qū)域是看不到的.但我們可觀察到電阻分壓器(FB1- FB2)非常接近該IC.FB2與另一個(gè)獨(dú)立的地平面連接,IC的地管腳也作同樣處理.利用三個(gè)過(guò)孔把“信號(hào)”地連至地平面,而“電源”地也是利用三個(gè)過(guò)孔連接PCB的GND腳.這樣,“信號(hào)”地就看不到“電源”地上發(fā)生的任何地線(xiàn)反彈.
如果你能遵循上述幾個(gè)簡(jiǎn)單規(guī)則,你的PCB版圖設(shè)計(jì)將更為順利.在開(kāi)始版圖設(shè)計(jì)前,花點(diǎn)時(shí)間仔細(xì)考慮PCB版圖設(shè)計(jì)將會(huì)起到事半功倍的效果,能幫助你節(jié)省今後解決開(kāi)關(guān)電源中出現(xiàn)異常行為的時(shí)間.