依舊自我介紹，

張工

，

NPI 工程師

，如果還不知道我具體是幹什麼的，歡迎看我的第一篇文章（主頁點進去即可）。

萬變不離其宗，作為 NPI 工程師，

DFM 可製造性分析

涉及的範圍非常廣，今天是關於：

開關電源PCB設計

。

對於設計人員來說需要了解開關電源PCB佈局所涉及的複雜技術細節和功能要求。佈局決定了對電磁感染（EMI）的敏感性、熱行為、電源完整性和安全性。良好的佈局可以確保高效率的功率轉換和傳輸到負載，同時允許熱量從佈局的熱元件傳輸出去，並且確保電子系統周圍的低噪聲耦合。

佈局選擇不當會引起在高電流水平下出現的問題，並且隨著輸入到輸出電壓之間的巨大差異變得明顯。不良 PCB 佈局常見的電源問題包括高輸出電流時失調、輸出和開關波形噪聲過大以及電路不穩定。

這裡就來講一下怎麼才能構建一個安全可靠的開關電源PCB設計。

一、什麼是開關電源？

開關模式電源

是透過在電抗電路中使用開關功率元件在大電流整流交流電和高電壓之間進行轉換的。與典型的 LDO 調節器相比，這些元件是非線性的，並且通常使用反饋來維持調節。在 LDO 中，透過誤差放大器的飽和來維持調節，產生在 PCB 佈局中被視為熱量的電阻損耗。

雖然從調節和效率的角度看，開關穩壓器是首選，但是不方便佈局，因為涉及到更多的元件，其中一些元件還具有特別大的寄生效應，如果佈置不當，可能容易受到噪聲問題的影響。如果要開始電源佈局，可以參考下面這個開關模式電源PCB佈局。

二、開關電源PCB佈局

這裡有總結一些規律，可以看下面：

透過

正確定義接地

、在 PCB 佈局中

放置短路徑

以及在 PCB 中安排

電隔離部分

來保持較低的 EMI，這樣就

沒有噪聲耦合

。

如果佈局中存在噪聲、需要包絡跟蹤等功能或特定噪聲源導致設計出現問題，需要提供適當的輸入和輸出EMI 濾波器電路。

使用

大量的銅

來提供遠離重要元件的

散熱路徑

，

如果需要，可以考慮採用

獨特的外殼設計

，以及熱元件上的

散熱器或風扇

。

放置快速開關、高電流電路，如 MOSFET 陣列，以便在開關事件期間設計中沒有寄生振盪。

三、定義接地

第一個要考慮的開關模式電源 PCB 佈局是

如何在佈局中定義接地

。在設計開關電源電路時，請記住存在五個接地點，這些可以分成不同的導體以確保電流隔離。主要是以下：

輸入大電流源地

輸入大電流電流回路接地

輸出大電流整流地

輸出大電流負載地

低電平控制地

接地連線中的每一個都可能存在於物理上獨立的導體中，具體取決於轉換器、整流器或穩壓器電路中的電流隔離需求，如果接地電容耦合，電源電路可能會產生共模噪聲，例如透過附近的導電外殼通常會發生這種情況。

PCB中的接地區域應在隔離元件的每一側明確定義

，例如：如果出於某種原因，接地確實需要橋接用來哦消除一些直流偏移，

Y級電容

是最佳選擇，因為可以提供高頻濾波並消除接地區域之間的直流偏移。

四、Y 級電容可用於在某些開關轉換器應用中橋接接地

每個大電流接地都用作電流環路的一個分支，但其佈局應為電流提供低阻抗返回路徑。這可能需要多個通孔回到接地層，以允許大電流和低等效電感。

這些點和它們相對於系統接地的電位成為測量電路不同點之間傳導的直流和交流訊號的點。由於需要防止大電流交流接地的噪聲逸出，因此適當的濾波電容的負極端子用作大電流接地的連線點。

定義地面區域的最佳做法是使用大平面或多邊形澆築。

這些區域提供低阻抗路徑以消散直流輸出的噪聲，並且它們可以處理高返回電流。它們還在需要時提供遠離重要元件的熱傳輸路徑。在兩側放置接地層可吸收輻射 EMI、降低噪聲並減少接地環路誤差。再用作靜電遮蔽並消散渦流中的輻射 EMI 時，接地層還將電源走線和電源層元件與訊號層元件分開。

特別是在使用開關電源時，

設計中的接地區域

可以根據其功能賦予多個名稱。

在設計中定義接地區域時要小心，並確保將它們正確連線在一起。

接地層

在電源 PCB 佈局之外的系統中很重要。

確保在不影響裝配的情況下將連線定義為

低阻抗

。

共模噪聲和傳導紋波

是 PCB 佈局中的主要噪聲源，當噪聲非常大時，它們會導致設計無法透過 EMI 測試。

電源和接地層提供低阻抗連線，同時提供遠離系統重要部分的散熱路徑。

PCB佈局

接地是開始設計的重要位置，因為它將決定 PCB 佈局的抗噪性和可佈線性。然而，這並不是電源設計中的唯一考慮因素。開關動作和 EMI 抑制內置於電源中，需要在 PCB 中明確定義。

五、在哪裡進行接地連線？

開關電源控制器精確調節輸出電壓的能力

取決於

低電平控制地的連線

。

當你使用積體電路、輸入電容、輸出電容和輸出二極體時，請確保元件連線到接地層。

接地連線到控制 IC 及其相關電路測量交流電流、直流電流、輸出電壓和其他主要引數的點。

將低電平接地連線到電流檢測電阻器或輸出分壓器的下側可防止控制電路檢測共模噪聲。

六、設計開關動作

開關電源透過在截止工作狀態和飽和工作狀態之間快速切換傳輸單元並向輸出負載提供恆定功率來工作。截止時，傳輸單元兩端存在高電壓，但沒有電流流動。飽和時，高電流流過傳輸單元，壓降非常小。由於半導體開關從直流輸入電壓產生交流電壓，因此

開關電源可以使用變壓器升高或降低電壓，然後在輸出端將電壓過濾回直流。

脈寬調製 （PWM） 開關電源在正向模式或升壓模式下執行。正向模式電源在輸出端有一個 LC 濾波器，它根據從濾波器獲得的輸出的伏特時間平均值建立直流輸出電壓。為了控制訊號的電壓時間平均值，開關電源控制器改變輸入矩形電壓的佔空比。

七、降壓轉換器與升壓轉換器

當電源開關開啟時，升壓轉換器模式電源在輸入電壓源兩端直接連線一個電感。電感電流從零開始增加並在關閉電源開關的同時達到峰值。

輸出整流器鉗位電感輸出電壓並防止電壓超過電源輸出電壓。當儲存在電感磁芯中的能量傳遞到輸出電容時，電感的開關端子回落到輸入電壓電平。

同時，降壓轉換器模式電源使用相同的元件，但採用不同的拓撲結構以將電感的反電動勢鉗制在低於輸入電壓的水平。

開關動作提供與升壓轉換器相同的效果，其中輸出電流振盪以與充電/放電電容器競爭，從而實現輸出功率的調節。兩種型別的穩壓器/轉換器拓撲都會允許開關噪聲傳播到設計中的輸出埠，這可以看作是輸出上的高頻紋波。

降壓和升壓轉換器佈局可以承載大電流，需要大的多邊形來容納熱量並防止功率損耗。

PCB設計

八、電源佈線有助於確保低噪音執行

開關電源傳導高頻噪聲，直到噪聲頻率達到開關頻率的大約 100 倍。然後，噪聲頻率以每十年 -20 至 -40 dB 的速率下降。由於開關穩壓器在“開”和“關”電源狀態下執行，因此具有銳邊沿的大電流脈衝在開關電源電路中流動，從而產生 EMI。

ON 和 OFF 電源狀態之間的轉換會產生 EMI，如果電源佈局中的電流環路太大，可能會在系統的其他地方引起 EMI。開關電源電路由電源開關回路和輸出整流器迴路組成，需要正確佈線以防止噪聲過大。

佈置電源時，要特別注意迴路的周長和走線的長度和寬度。保持環路周長較小可以消除環路作為低頻噪聲天線工作的可能性。從電路效率的角度來看，更寬的走線還可以為電源開關和整流器提供額外的散熱。你可以使用主動佈線引擎來實現人工佈線，可以讓你的元件以允許開關電流環路在同一方向上傳導。

由於電流回路沿相同方向傳導，控制電路耦合到佈局中的特定點。因此，磁場不能沿著位於兩個半週期之間的跡線反轉併產生輻射 EMI。

你可以使用PCB設計工具輕鬆地為高電流/高壓線放置多邊形，或為資料和控制線放置更細的走線。

在進行電源佈局時，處理高開關電流的走線要短、直且粗。

IPC 標準可用於計算推薦走線寬度，但根據經驗，最小寬度為每安培 15 密耳。

開關電源中的 EMI 濾波器可抑制由直流輸入和輸出佈線中傳導的高頻電流引起的高頻噪聲。

此 PCB 佈局中的元件保持靠近並使用短而直接的走線進行佈線。

SMPS 交流電壓節點的 PCB 佈局技巧

根據 SMPS 配置，

交流電壓節點存在於功率 MOSFET 的漏極或 BJT 的集電極以及輸出整流器的陽極。

這些節點中的每一個都可以具有高交流電壓。例如，MOSFET 漏極處的峰峰值交流電壓可以測量輸入電壓的一到兩倍。排水管透過絕緣體螺栓連線到散熱器，接地的散熱器為電容耦合噪聲提供了路徑。

表面貼裝環境的電容值較小，但會將噪聲耦合到敏感訊號中。由於這些因素，還需要解決交流節點電壓電容耦合到散熱器或相鄰接地層的可能性。

在佈置表面貼裝 PCB 設計時，使節點足夠大，以用作電源開關或整流器的散熱器。

一些多層設計透過使 AC 節點下方的所有層與 AC 節點相同並使用鍍通孔連線這些層來增加設計的熱質量。

PCB佈局

原文連結：

https：//resources。altium。com/p/switched-mode-power-supply-pcb-layout-guidelines

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