基本開關(guān)穩(wěn)壓器布局技術(shù)

本文將介紹開關(guān)穩(wěn)壓器板布局的一些基本原理。雖然它側(cè)重于升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，但它所涵蓋的概念在使用其他類型的開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)也很有用。本文討論了接地方案、元件放置、減少噪聲干擾以及降低雜散電容和電感的重要性。

在考慮如何最好地布置開關(guān)穩(wěn)壓器板時(shí)，最好回想一下其目的，即提供特定幅度的穩(wěn)定電壓。經(jīng)驗(yàn)豐富的布局設(shè)計(jì)師通過密切關(guān)注接地方案來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓。他們知道接地從來都不是完美的——接地不是“只是地面”，你用它做什么對(duì)電路的成功至關(guān)重要。此外，他們特別注意放置各種穩(wěn)壓器組件的位置。

地

讓本科工程師畫出代表地面的三條小線也許是錯(cuò)誤的。這個(gè)符號(hào)傾向于培養(yǎng)一種幻想，即地面是理想的。通過繪制更長的線將各種電路組件連接到電源或電池的負(fù)極端子，您可以更容易地直覺地認(rèn)為接地是有缺陷的。這些線表明電流通過接地層或走線的電阻和電感流回電源，在此過程中產(chǎn)生電壓降。因此，他們悄悄地指出，接地與您通常稱為零伏特的完全穩(wěn)定的電壓不同。

圖1所示的升壓轉(zhuǎn)換器說明了為什么有必要考慮不完美的接地。該穩(wěn)壓器依靠控制器 IC 內(nèi)的基準(zhǔn)電壓源和兩個(gè)反饋電阻來產(chǎn)生特定電壓。為了獲得準(zhǔn)確的反饋，從而獲得精確的輸出，基準(zhǔn)電壓源、電阻分壓器和輸出電容的接地必須處于相同的電位。更具體地說，控制器的模擬接地引腳（即基準(zhǔn)電壓源的接地）的電壓和電阻分壓器接地端子的電壓必須等于輸出電容接地端子的電壓。輸出電容的接地端子電壓很重要，因?yàn)樨?fù)載（需要穩(wěn)壓器精確輸出電壓）通常放置在輸出電容旁邊，因此我們希望反饋參考到該特定接地部分。

圖1.這種升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器成功布局背后的理念也適用于其他開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涞牟季帧?/p>

出于另一個(gè)原因，控制器需要反饋給它的精確電壓。為了實(shí)現(xiàn)無抖動(dòng)開關(guān)，控制器需要準(zhǔn)確顯示輸出電壓的任何交流擾動(dòng)。它通過反饋接收準(zhǔn)確的圖片。

元件放置

除接地方案外，穩(wěn)壓器組件的正確放置也很重要。例如，控制器內(nèi)的基準(zhǔn)電壓源必須通過靠近REF引腳放置的電容旁路;基準(zhǔn)上的噪聲可能會(huì)影響輸出電壓。此外，該旁路電容器的接地端子必須連接到一個(gè)安靜的接地，該接地與噪聲較大的電源接地隔離（以及控制器的模擬接地引腳和電阻分壓器的接地端子）。此外，將這種安靜的接地與噪聲較大的電源接地隔離也很重要。

為什么我們必須將嘈雜的地面與安靜的地面隔離開來？畢竟，無論如何，我們都必須將兩個(gè)部分的地面連接在一起。這種隔離對(duì)于防止高電平開關(guān)電流通過與模擬信號(hào)相同的接地回路返回電池或電源是必要的。如果發(fā)生這種情況，這些敏感信號(hào)的接地路徑將受到干擾;流過接地電阻和電感的高電平開關(guān)電流將導(dǎo)致沿返回路徑的電壓變化。

查看噪聲較大的電源部分可以顯示如何最好地將其與電路的其余部分隔離。圖2顯示了穩(wěn)壓器電源部分的兩條電流路徑。當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，電流流過輸入環(huán)路;當(dāng)它關(guān)閉時(shí)，它流經(jīng)輸出回路。通過將構(gòu)成兩個(gè)環(huán)路的元件彼此靠近放置，高電流將保留在穩(wěn)壓器的電源部分（并離開安靜元件的接地返回路徑）。所以 C在、L1 和 Q1 應(yīng)彼此靠近。另外，C在、L1、D1 和 C外也應(yīng)該很接近。圖 2 中繪制了兩個(gè)環(huán)，以闡明哪些組件屬于緊密相連的組件。

圖2.必須特別注意將圖中所示的兩個(gè)電流環(huán)路的組件緊挨在一起。使用短而寬的走線來實(shí)現(xiàn)這種緊湊的布局，可以提高效率，減少振鈴，并有助于防止對(duì)電路中較安靜部分的干擾。

實(shí)際布局通常涉及一些折衷方案，在布置上述兩個(gè)循環(huán)的組件時(shí)，這可能是必要的。如果需要選擇哪些應(yīng)該靠近放置在一起的組件實(shí)際上放在一起，那么確定每個(gè)回路中的哪些組件都有不連續(xù)的電流流過它們。這些是最重要的元件，需要彼此靠近放置，以盡量減少雜散電感。請(qǐng)參閱下面的最小雜散電容和電感。

其他注意事項(xiàng)

無論電池還是電源為升壓開關(guān)穩(wěn)壓器供電，電源都表現(xiàn)出非零電阻。這意味著當(dāng)穩(wěn)壓器從電源吸收快速變化的電流時(shí)，電源的電壓會(huì)發(fā)生變化。為了改善這種影響，電路板設(shè)計(jì)人員將輸入旁路電容放置在上述兩個(gè)電源環(huán)路附近（有時(shí)使用兩個(gè)電容——陶瓷電容和極化電容并聯(lián)）。這樣做不是為了穩(wěn)定饋送到電源部分的電壓;如果饋送電壓發(fā)生變化，電源部分仍將正常工作。相反，將旁路電容器放置在電源環(huán)路附近有助于將高交流電流限制在電源部分，這有助于防止這些電流干擾更安靜的電路。

這種干擾是如何發(fā)生的？三種方式。首先，如上所述，如果電源部分的接地回路電流流過穩(wěn)壓器模擬電路中某些敏感部分的部分或全部接地回路路徑，則由于其中的電阻和電感，它將在該接地路徑上增加開關(guān)噪聲。接地噪聲會(huì)降低穩(wěn)壓器輸出的精度。它還可能干擾位于同一電路板上的其他敏感電路。其次，與對(duì)接地路徑的擔(dān)憂類似，電池或電源正軌上的開關(guān)噪聲可以傳導(dǎo)到由同一電源軌供電的其他組件。這包括控制器IC，其參考可能會(huì)反彈。在控制器的電源引腳上增加一個(gè)R/C濾波器有助于輸入旁路電容兩端的電壓變化。第三，交流電流流動(dòng)的面積越大，它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越大，因此這些電流造成干擾的可能性就越大。將輸入旁路電容放置在電源部分旁邊可最大限度地減少該面積，從而減少潛在干擾。

如果兩個(gè)分壓電阻放置不當(dāng)，噪聲也會(huì)導(dǎo)致問題。將兩個(gè)電阻放在控制器的FB引腳旁邊，可確保將相對(duì)無噪聲的電壓反饋給控制器。以這種方式放置電阻可最大限度地減少從電阻分壓器的中點(diǎn)到開關(guān)穩(wěn)壓器的FB引腳的走線長度 - 這是必要的，因?yàn)殡娮璺謮浩骱虵B引腳上的內(nèi)部比較器的輸入都是高阻抗的，因此連接它們的走線容易拾?。ㄖ饕ㄟ^電容耦合）開關(guān)穩(wěn)壓器不可避免地產(chǎn)生的噪聲。但是，您可以將從穩(wěn)壓器輸出到電阻分壓器“頂部”的走線以及從電阻分壓器的“底部”或接地側(cè)到輸出電容接地側(cè)的走線相對(duì)較長;開關(guān)穩(wěn)壓器的低輸出阻抗降低了這些走線上的耦合噪聲。

將雜散電容和電感降至最低

識(shí)別圖1電路中電壓快速變化的節(jié)點(diǎn)，表明電容的最小值，因?yàn)殡娙莸碾妷翰幌Ｍ焖僮兓Ｓ呻姼小?a target="_blank">二極管和MOSFET結(jié)形成的節(jié)點(diǎn)是電路功率部分中唯一的此類點(diǎn);當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，該節(jié)點(diǎn)接近地電位，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，該節(jié)點(diǎn)上升到高于輸出電壓的二極管壓降。確保以最小化此節(jié)點(diǎn)雜散電容的方式運(yùn)行電路板走線。如果雜散電容減慢了該節(jié)點(diǎn)的電壓轉(zhuǎn)換，穩(wěn)壓器的效率就會(huì)受到影響。保持該節(jié)點(diǎn)的尺寸較小不僅有助于降低其雜散電容，還可以降低其產(chǎn)生的EMI。但是，不要通過使用窄跟蹤來使節(jié)點(diǎn)的區(qū)域變小。相反，請(qǐng)使用寬而短的跟蹤。

識(shí)別具有快速變化電流的電路分支可以顯示電感最小化的位置。讓人聯(lián)想到電容器兩端的電壓，通過電感器的電流不喜歡快速變化。當(dāng)通過電感的電流快速變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該電感處的電壓尖峰和振鈴，從而產(chǎn)生潛在的EMI問題。此外，該振鈴電壓的幅度可能足夠高，以至于對(duì)各種電路元件造成損壞。

圖3顯示了電路三個(gè)分支的電流波形。當(dāng)前的I1不存在問題，因?yàn)樗韵鄬?duì)漸進(jìn)的方式變化;此外，那里已經(jīng)存在大電感，即L1本身。然而，與MOSFET串聯(lián)的電感確實(shí)會(huì)引起問題，因?yàn)殡娏鱅3突然變化。該系列電感包括來自I內(nèi)任何物體的電感3返回 C 的路徑在接地端子：來自Q1引線的雜散電感以及接地返回路徑本身的電感。注意電流通過C在不會(huì)經(jīng)歷快速更改;它等于電感電流的交流部分（I1）。（電池為直流部分供電?？焖僮兓碾娏饕矔?huì)流過 MOSFET 關(guān)斷時(shí)形成的環(huán)路的一部分。此電流（I2） 流經(jīng) D1 和 C外以及接地回路中的銅，因此必須盡量減少這些元件和接地回路的雜散電感。

圖3.開關(guān)穩(wěn)壓器電路分支的電流波形指示在何處最小化雜散電感?？焖僮兓碾娏鳎ɡ?，I2和我3） 要求將路徑中的電感降至最低。

在考慮負(fù)載引線中的電感是否也會(huì)造成問題時(shí)，請(qǐng)記住，如果輸出電容足夠大且ESR足夠低，則其電壓保持相對(duì)穩(wěn)定。這意味著通過負(fù)載電阻的電流不會(huì)有太大變化，因此與其串聯(lián)的電感無關(guān)緊要 - 除非負(fù)載本身動(dòng)態(tài)變化。

創(chuàng)建可行的電路板布局

有幾種方法可以使用開關(guān)穩(wěn)壓器電路的接地部分。一種是對(duì)所有接地連接使用單個(gè)接地層，這種方法可能效果不佳。當(dāng)使用該技術(shù)時(shí)，來自電路功率部分的接地電流可能通過與電阻分壓器的接地電流相同的接地路徑，電阻分壓器的用于旁路某些引腳的電容器、控制器的模擬接地或所有三個(gè)，從而導(dǎo)致其接地反彈。

最好的方法可能是創(chuàng)建兩個(gè)獨(dú)立的接地部分 - 一個(gè)用于電源組件，另一個(gè)用于穩(wěn)壓器更安靜的模擬部分。參見圖 4a。電源電路的接地部分由輸入和輸出電容接地端子以及MOSFET的源極組成。這些連接應(yīng)使用短而寬的跡線進(jìn)行。最大化電源電路接地走線（以及其他電源走線）的寬度并最小化其長度，可通過降低電阻來提高效率。

模擬接地部分為控制器的模擬接地引腳、電阻分壓器接地端子以及繞過控制器某些引腳（不是主輸入旁路電容器 C）的任何電容器的接地端子提供接地回路路徑在不過）。模擬地不必是平面。相反，您可以使用長而分散的走線，因?yàn)殡娏魉降颓蚁鄬?duì)恒定;走線電阻和電感不是大因素。

將控制器的AGND引腳連接到PGND引腳，如圖4a所示。在這些引腳上連接兩個(gè)接地部分可確保模擬接地內(nèi)沒有開關(guān)電流循環(huán)。AGND和PGND之間的連接可能相對(duì)較窄，因?yàn)閹缀鯖]有電流流過該路徑。雖然理想情況下AGND引腳將直接連接到C外的接地端子，許多控制器IC要求其兩個(gè)接地引腳直接相互連接（否則，如果兩個(gè)引腳之間的電壓變得足夠大以打開它們之間連接的二極管，則可能會(huì)出現(xiàn)問題）。通過從PGND到C的跟蹤外反饋電阻和控制器內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓源短而寬，與穩(wěn)壓器輸出具有基本相同的接地電位。這一事實(shí)很重要，因?yàn)檩敵鲭妷菏沁@些元件設(shè)置用來控制的。

圖4.使用單獨(dú)的模擬和電源接地區(qū)域可將較高幅度的電源接地電流與較安靜的模擬接地電流隔離開來，從而保護(hù)這些較安靜電流流經(jīng)的路徑。

有時(shí)，有些電容器會(huì)繞過控制器，而這些電容器不應(yīng)連接到模擬或接地的電源部分。R/C濾波器繞過升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的V+引腳（如上所述）就是一個(gè)例子。在這種情況下，電容器的接地引腳對(duì)于模擬地來說噪聲太大;同時(shí)，電源接地對(duì)于電容器來說噪聲太大。您應(yīng)該將此類電容器直接返回到連接控制器的 AGND 和 PGND 引腳的走線（如果控制器僅提供一個(gè)接地引腳，則應(yīng)直接返回到 GND 引腳）。

最后， 電路板層數(shù)在PCB布局中起著重要作用。在多層板上，您可以使用其中一個(gè)內(nèi)層作為屏蔽。屏蔽層允許您將元件放置在電路板的另一側(cè)，遠(yuǎn)離嘈雜的元件，幾乎沒有干擾的可能性。當(dāng)包含屏蔽層時(shí)，通常不是一個(gè)好主意，通過屏蔽連接電源組件的接地側(cè)引線。相反，將它們連接到一個(gè)孤立的、狹窄的區(qū)域，這樣你就知道這些電流將流向哪里以及它們會(huì)產(chǎn)生什么影響。

無論層數(shù)多少，都要在頂層進(jìn)行那些功率組件接地連接;這樣做會(huì)將電流限制在不會(huì)干擾其他地面的已知路徑上。如果無法做到這一點(diǎn)，可以使用隔離的銅片和過孔通過其他層進(jìn)行這些連接。對(duì)于每個(gè)連接，并聯(lián)使用多個(gè)過孔以降低其電阻和電感。

審核編輯：郭婷