本文介紹有關實現優化電路板佈局的基礎知識,在設計開關模式電源時,優化電路板佈局是一個重要方面。合理佈局可以確保開關穩壓器保持穩定工作,並儘可能降低輻射干擾和傳導干擾(EMI)。這一點電子開發人員都很清楚。但是,大家並不知道,開關模式電源的優化電路板佈局應該是什麼樣子的。


圖1所示為 LT8640S 評估板電路。這是一個降壓開關穩壓器,支持高達42 V的輸入電壓,可提供高達6 A的輸出電流。所有元件都緊密排列在一起。一般建議將元件儘可能緊密地排列在電路板上。這種說法並無錯處,但是,如果目標是獲得優化電路板佈局,可能就未必合適。在圖1中,開關穩壓器IC周圍有數個(11個)無源元件。在部署這些無源元件時,哪些元件應該優先部署?為什麼呢?


圖1. LT8640S開關穩壓器的電路板,元件佈局緊密,所以電路板佈局非常緊湊。


在開關穩壓器PCB設計中,最重要的原則是:傳輸高開關電流的走線越短越好。如果能夠成功實踐這一原則,開關穩壓器電路板的很大部分都能合理佈局。


如何在電路板佈局中輕鬆實現這條黃金法則呢?第一步,找出開關穩壓器拓撲中的關鍵路徑。在這些關鍵路徑中,電流會隨開關切換而變化。圖2顯示降壓型轉換器(降壓拓撲)的典型電路。關鍵路徑以紅色顯示。這些連接線路可能傳輸滿電流,也可能不傳輸電流,具體取決於電源開關的狀態。這些路徑越短越好。在降壓型轉換器中,輸入電容應儘可能靠近開關穩壓器IC的VIN引腳和GND引腳。


圖2. 降壓型開關穩壓器的原理圖,其中電流快速變化的路徑以紅色顯示。


圖3顯示升壓拓撲電路的基本原理圖。該電路將低壓轉換為更高電壓。同樣,電流會隨電源開關切換而變化的電流路徑以紅色顯示。需要注意一點,輸入電容的佈局位置根本不重要。輸出電容的佈局位置才更為關鍵。它必須儘可能靠近反激二極管(或高側開關)以及低側開關的接地連接。


圖3. 升壓型開關穩壓器的原理圖,其中電流快速變化的路徑以紅色顯示。


然後,可以檢測其他任意開關穩壓器拓撲,以瞭解在切換電源開關時,電流如何變化。傳統方法一般是打印出電路,然後用三種不同顏色的彩筆畫出電流路徑。用第一種顏色標出導通期間的電流路徑,也就是,電源開關開啟時的電流路徑。用第二種顏色標出關斷期間的電流路徑,也就是,電源開關關閉時的電流路徑。最後,用第三種顏色標出前面僅以第一種顏色和僅以第二種顏色標記過的所有電流路徑。通過這種方式,就可以清晰地看出電流會隨電源開關切換而變化的關鍵路徑。


對於經驗不足的電路設計人員而言,開關穩壓器的電路板佈局就像是一種黑魔法。其核心法則就是在設計電流會隨開關切換變化的走線路徑時,應儘可能短,儘可能緊湊。這解釋起來很簡單,很符合邏輯關係,也是開關模式電源設計中實現優化電路板佈局的基礎。

查看往期內容↓↓↓