問題:線圈應該放在哪裡?

答案:用於電壓轉換的開關穩壓器使用電感來臨時儲存能量。這些電感的尺寸通常非常大,必須在開關穩壓器的印刷電路板(PCB)佈局中為其安排位置。這項任務並不難,因為經過電感的電流可能會有變化,但其並非瞬間的變化。變化只可能是連續的,而且通常相對較為緩慢。

開關穩壓器在兩個不同路徑之間來回切換電流。這種切換非常快,具體切換速度取決於切換邊緣的持續時間。切換開關電流流經的佈線稱為熱迴路或交流電流路徑,其在一個切換開關狀態下傳導電流,在另一個切換開關狀態下不傳導電流。在PCB佈局中,應使熱迴路面積小且路徑短,以便最大限度地減小這些佈線中的寄生電感。寄生佈線電感會產生無用的電壓失調並導致電磁干擾(EMI)。

圖1:用於降壓轉換的切換開關穩壓器(具備如虛線所示的關鍵熱迴路)

圖1所示為一個降壓調節器,其中關鍵熱迴路顯示為虛線。從此圖可以看出,線圈L1並不是熱迴路的一部份。因此,可以假設該電感器的放置位置並不重要。使電感器位於熱迴路以外是正確的——因此在第一個實例中,放置的位置是次要的。不過,有一些規則應該遵循。

不得在電感下方(PCB表面或下方都不行)、在內層或PCB背面佈設敏感的控制佈線。受電流流動的影響,線圈會產生磁場,結果會影響訊號路徑中的微弱訊號。在開關穩壓器中,一個關鍵訊號路徑是反饋路徑,其將輸出電壓連接到開關穩壓器IC或電阻分壓器。

圖2:具備有線圈安放位置的ADP2360降壓轉換器示例電路

值得注意的是,實際線圈既具有電容效應,也具有電感效應。第一個線圈繞組直接連接到降壓切換開關穩壓器的切換節點,如圖1所示。其結果是,線圈裡的電壓變化與切換開關節點處的電壓一樣強烈而迅速。由於電路中的切換開關時間非常短且輸入電壓很高,PCB上的其他路徑上會產生相當大的耦合效應。因此,敏感的佈線應該遠離線圈。

圖2所示為採用降壓轉換器(如ADP2360)的示例佈局。在本圖中,圖1中的重要熱迴路標為綠色。從圖中可見,黃色反饋路徑離線圈L1有一定距離,它位於PCB的內層。

一些電路設計者甚至不希望線圈下的PCB中有任何銅層。例如,它們會在電感下方提供切口,即使在接地平面層中也是如此。其目標是防止線圈下方接地平面因線圈磁場形成渦流。這種方法並沒有錯,但也有爭議,認為接地平面要保持一致而不應中斷:

  • 用於屏蔽的接地平面在不中斷時效果最佳。
  • PCB的銅越多,散熱越好。
  • 即使產生渦流,這些電流也只能局部流動,只會造成很小的損耗,並且幾乎不會影響接地平面的功能。

因此,我同意接地平面層,甚至是線圈下方,也應保持完整的觀點。

總之,我們可以得出的結論是,雖然開關穩壓器的線圈不是臨界熱迴路的一部份,但不在線圈下方或靠近線圈處進行敏感的控制佈線卻是明智的。PCB上的各種平面——例如,接地平面或VDD平面(電源電壓)——可以連續構造,無需切口。