开关电源和调节器用印刷电路板布局指南

电源和调节器可以有各种形状和尺寸。虽然它们通常被视为不同的产品，但它们在电气上是等效的，特别是开关调节器。从高级系统的角度来看，电源中的开关调节器部分和实际的调节器电路在同一框图中执行相同的功能。

对于电源来说，这只是一个规模问题，以及调节器如何与系统中的其他电源转换模块集成。电源中的开关调节器部分和印刷电路板上的开关调节器电路应按照相同的一般指导原则进行布置，以确保低噪声运行。

在接下来的章节中，我想简单地关注一下电源和调节器是如何不同的，尽管这对于大多数设计师来说应该已经很清楚了。一个电源将（或应该）包括一个功率调节器，但是调节器可以是一个独立的电路，它不是我们所说的电源的一部分。对于电源和带有板载调节器的PCB，开关调节器布局将是整个系统性能的主要决定因素。因此，我们将主要从调节器布局的角度来看开关电源的一些布局指南。

在研究开关电源的调节器部分之前，我们应该先看一下整个系统的高层框图。如果您正在设计一个电源单元，那么整个单元将具有如下所示的拓扑结构。对于从墙上插座获取交流电源的电源来说，这一点尤为重要。

开关电源的框图

上面的方块图可以在多块板上实现，尽管通常将所有的东西都放在一块板上，为大型变压器留出一些空间，散热器风扇和机械支架，特别是高压/电流电源。如果你正在为一块插入电源单元的电路板设计一个小型稳压器，那么你无论如何都要在上面的拓扑结构中工作，你只需要在输出调节器和你的新调节器之间建立一个接地连接。同样，这在大电流电源中很常见。

在上图中还有一些其他要点需要讨论：

在上面的方块图中，我们有三个独立的地面区域，用盖子绑在一起。不要盲目地遵循这一准则：没有单块PCB接地技术它能解决所有的噪音源，你应该注意以上的使用上限。这是为了说明一种确保所有地面区域的地电位一致的方法；这是工业以太网系统中推荐的接地方法。这里的想法是阻止任何可能在两个接地部分之间产生的直流电位

这里的危险是产生接地回路和共模噪声，然后必须对其进行过滤。用这种方式将接地连接在一起基本上就是当你有一个金属底盘时所做的，而塑料外壳会使接地隔离。这变得很棘手，需要仔细的电路设计和PCB布局来保持通过所有EMC测试 .

输出级不需要电隔离；这取决于直流调节器的拓扑结构(查看反激变换器的一个很好的例子). 通常在输出端安装传导EMI滤波电路或共模扼流圈，以抑制到达负载电路的共模电流。除此之外，输出调节器级将使用针对特定调节器拓扑的最佳实践进行布局。我将在下面介绍监管机构布局的这些更广泛的想法。

电源单元的输出级可能不是系统中的最终调节器。相反，它可以给另一个调节器或一系列调节器供电，每一个调节器都将在某个最大电流下为一组元件提供一个设定电压。同样，这可以在一个单板或多个板上完成（一个用于电源，另一个用于调节器级）：

开关电源的配电图

上面的电源树显示了并联的调节器（菊花链），但这些也可以级联在树型拓扑中。PDN中的电流映射非常有用，因为它可以帮助您快速绘制出每个下游调节器级将贡献给PDN中总电流的电流。总电流和单个电流将决定为系统中的每个部分输送足够电流所需的电源轨或电源平面的尺寸。

现在我们可以看到整个系统的架构，我们可以了解如何布置开关电源中的每个电路块和整个系统，以确保低电磁干扰和安全性。在创建PCB布局时，请考虑整个框图：

• 分区布局：与其他具有多个功能块的板类似，请尝试将电源板分为多个部分。在方框图中，以从输入到输出的线性方式进行这项工作是可以的。

• 规划布局并提供反馈：有时，例如在精密大电流稳压器中，您会在各部分之间得到一些反馈。使用 光电耦合器连接各部分之间的接地间隙。

• 遵循地面返回路径：如果在PCB设计中有任何通用的指导原则，那可能就是“遵循您的接地回路”。对于电源，这对于确定共模电流可能产生的位置和确保每个供电部分的低回路电感非常重要。

• 注意大电流和高压钢轨：高压和大电流的设计有时是混合的。两个导体之间的最大电位差将决定它们的最小间距（见IPC-2221），导体携带的电流将决定其所需的宽度，以确保低温（内层或外层见IPC-2152）。

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光耦是一种小型集成电路，可以用来桥接两个电流隔离接地区域的数据或感测信号。该光耦（U4）被用于LLC谐振变换器中，作为反馈回路的一部分电流检测放大器对变换器开关频率进行精确调整。

在完成PDN设计部分时，您还应该考虑每个部分将如何接地，以及如何将接地连接在一起以提供一致的参考电位。这对于防止电磁干扰非常重要，正如我在上面提到的。这应该在您开始工作PCB布局之前完成。

一旦您为调节器选择了元件，创建了原理图，并设计了接地/配电策略，您就可以开始考虑PCB布局。开关电源调节器的PCB布局是关于权衡的：您需要平衡导体尺寸和间隙要求，但您需要的东西是紧凑的。

我们已经在这个博客上发布了多个关于布局特定调节器拓扑的指南。下面的列表显示了一些适用于您的系统的广泛的指导原则，而不是对所有这些可能性进行分析。

1. 始终为您的系统实现最小间隙和跟踪宽度规则。

2. 将电压/电流感应的所有反馈线保持短，尽可能采用最直接的布线方式。

3. 你可能需要在你的驱动和控制器IC周围聚集一些控制和感知组件，所以要确保它们之间的连接很短；把这些组件集中在一个狭小的区域是可以的（见下文）。

4. 如果你是为大电流设计的话，可以考虑厚铜甚至金属芯PCB。

5. 不要害怕使用多边形作为组件或连接器的安装垫。如果需要的话，要小心直接绑回飞机上热释压 .

6. 即使DC-DC可以有非常高的效率，他们仍然可以变得很热。请确保在布局中为IC上的任何散热器（如果有）留出空间。另一个选择是使用热界面材料。

开关电源布局的某些部分可以非常紧凑，并且可以有更宽的轨道/多边形。不要害怕使用这些元素，以确保您在安全的温度下工作，并创建一个低电感布局。

开关调节器的具体布局指南将取决于拓扑结构、组件数量、反馈的存在和接地策略。希望您已经考虑过接地以防止电磁干扰，并在开始PCB布局之前提供任何所需的隔离。要查看针对您的特定监管机构的一些更具体的指导方针，请查看以下其他资源：

• 如何设计升压调压器

• 隔离电源与非隔离电源：正确的选择

• LLC谐振变换器设计与PCB版图设计

• 低噪声、低电磁干扰调压器

显然，在上面的开关电源和调节器电路的布局指南列表中有很多需要考虑的因素。那还缺什么？在上述讨论中，电力监管和交付的几个关键方面并未出现：

• PDN阻抗：如果你没有设计高速/高频元件，你可能不需要担心PDN阻抗。只要确保使用肥硕的电源轨和大量地面浇灌. 如果您设计的是高速/高频，那么低PDN阻抗对于抑制纹波非常重要，这通常是通过大量的去耦电容和高行间电容 .

• 电源EMI：我在上面提到过这个。任何时候你创建一个PCB布局，你都应该考虑确保低电磁干扰，但是除了低回路电感布线之外，抑制电磁干扰和通过电磁兼容测试还有很多工作要做。我将在一篇关于电源EMI的文章中讨论这些要点。

• 模拟功率：在这里，我们看到的是通常在数字集成电路中讨论的开关变换器。模拟元件呢？他们的电力需求可能大不相同。产生模拟/射频信号的数字集成电路通常在内部进行。然而，也有专门的LDO（例如NCP161BMX280TBG)或开关调节器（例如 LTC3388IMSE-1型 ).

另外还有元件选择的问题，比如选择电感器以确保低EMI和共模噪声耦合，以及确保低纹波电流。上表中的最后一点也很重要，因为纯模拟电路的布局风格与数字系统的功率调节器或嵌入式电源不同。一旦在极高频率下工作，由于寄生电容，射频电源问题就更难解决，这与中所见类似不稳定放大器电路. 这是我喜欢的另一个话题，但我将离开这里，换一篇博客文章。

这个简单的调节器可以处理2层PCB上的中等功率

利用好PCB设计工具，可以实现我在这里概述的开关电源布局指南。您还将拥有找到调节器IC、大型调节器电路的组件和系统的其他组件所需的工具。对于涉及传导或辐射EMI的更高级计算，Altium Designer用户可以使用EDB Exporter extension将其设计导入到Ansys field solvers. 这对场求解器和设计应用程序帮助您在开始原型运行之前验证布局。