交換式電源電路板佈局的黃金法則

作者 : Frederik Dostal,ADI電源管理專家

在設計交換式電源(SMPS)時,最佳化PCB佈局可以確保交換式穩壓器穩定工作,並盡可能降低EMI。但是,應該如何實現SMPS的最佳化PCB佈局?

本文介紹有關實現最佳化電路板佈局的基礎知識,在設計交換式電源(SMPS)時,最佳化電路板佈局是一個重要的層面。合理佈局可以確保交換式穩壓器保持穩定工作,並盡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,大家並不一定都知道應該如何實現交換式電源的最佳化電路板(PCB)佈局。


綠色工程:革新的契機


1所示為LT8640S評估板電路。這是一個交換式降壓穩壓器,支援高達42V的輸入電壓,可提供高達6A的輸出電流。所有元件都緊密排列在一起。一般建議將元件盡可能緊密的排列在電路板上。此種說法並沒有錯,但是,如果目標是獲得最佳化電路板佈局,可能就未必合適。在1中,交換式穩壓器IC周圍有數個(11個)被動元件。在佈署這些被動元件時,哪些元件應該優先佈署?為什麼呢?

1. Shown is the board of an LT8640S switching regulator with closely spaced components, thus creating a compact board layout.

1LT8640S交換式穩壓器的電路板,元件佈局緊密,所以電路板佈局非常緊湊。

在交換式穩壓器PCB設計中,最重要的原則是:傳輸高交換式電流的佈線越短越好。如果能夠成功實踐這一原則,交換式穩壓器電路板的絕大部份都能合理佈局。

如何在電路板佈局中輕鬆實現此黃金法則呢?第一步,找出交換式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。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,輸入電容應盡可能靠近交換式穩壓器IC的VIN接腳和GND接腳。

2. This is a schematic of a step-down switching regulator and paths with rapidly changing currents shown in red.

2:交換式降壓穩壓器的原理圖,其中電流快速變化的路徑以紅色顯示。

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。同樣地,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。其必須盡可能靠近反馳二極體(或高側開關)以及低側開關的接地連接。

3. Here’s a schematic of a step-up switching regulator and paths with rapidly changing currents shown in red.

圖3:交換式升壓穩壓器的原理圖,其中電流快速變化的路徑以紅色顯示。

然後,可以檢測其他任意交換式穩壓器拓撲,以瞭解在切換電源開關時,電流如何變化。傳統方法一般是列印出電路,然後用三種不同顏色的彩筆劃出電流路徑。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。透過此種方式,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,交換式穩壓器的電路板佈局就像是一種黑魔法。其核心法則是在設計電流會隨開關切換變化的佈線路徑時,應盡可能短及精簡。這非常容易理解,也符合邏輯關係,同時也是交換式電源設計中實現最佳化電路板佈局的基礎。

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