DC-DC电源在PCB布线中的接地方法

DC-DC电源是电子硬件设计中常用的电源电路，DC-DC电源在实现高输入电压变低输出电压时具有很高的效率，应用十分广泛，从电源适配器，手机充电器，电子设备内部电源变换都离不到DC-DC电路。各个半导体厂家都有自己的DC-DC电源芯片，可选用的芯片也十分多，对于一个设计优良的DC-DC电路，不仅要考虑好DC-DC电路的外围电阻，电容，电感的参数，同时对于PCB的布线设计也有很高的要求，本文从DC-DC电路中的电流的流向角度来提出指导PCB布线中接地的方法。

电路接地在电路原理图中看起来很简单，但是电路的实际特性是由其PCB的布局决定的。而且接地点的分析是很困难的，特别对于DC-DC变换器电路，电路的接地结点会聚集快速变化的大电流。当接地节点移动时，系统性能会遭受影响并且该系统会辐射电磁干扰。但是如果很好地理解“接地”引起的地噪声的物理本质可提供一种减小接地噪声问题的直观认识。

地线回路中的传输电流的变化会在回路中产生磁场，磁场强度与电流成正比，磁通量与环路面积和磁场强度的乘积成正比，用公式表示

假设电流环路中突然断开，如图2中开关断开，电流停止流动时，磁通量消失，这会沿导线各处产生一个瞬态大电压。如果导线的一部分是一个接地返回引脚，那么以地电平为参考端的电压会生一个尖峰，从而在任何使用该引脚为接地参考的电路中都会产生错误信号。

PCB电路板上面的印制线不是理想的导线，具有电阻。1盎司（oz）铜的电阻为500微欧/方数，因此1安培的电流变化只能产生500uV/方数的反弹电压--问题只存在于采用细长印制线或菊花链式接地或精密电子电路。

在DC-DC开关电路中减少接地反弹的最好方法就是控制磁通量变化---使电流环路面积和环路面积变化最小。DC-DC电路降压或升压的原理就是利用电子开关快速切换给储能元件充电放电实现了电压变换，同时改变了电路中电流的环路面积产生了接地反弹和电磁辐射。

在某些情况下，如图3所示，电流保持恒定，而开关切换引起环路面积变化，因此产生了磁通量的变化。在开关状态1中，一个理想的电压源通过理想导线与一个理想电流源相连。电流在一个包含接地回路的环路中流动。

在开关状态2中，当开关改变位置时，同样的电流在不同的路径中流动。电流源为直流DC，并且没有变化，但环路面积发生了变化。环路面积变化意味着磁通量的变化，所以产生了电压。因为接地回路为变化环路的一部分。

降压型变换器的接地反弹

降压型变换器电路与上图3中的电路结构很像，对降压型变换器的电路进行简化，如图4所示。

在高频时，一个大电容如降低变换器的输入电容Cin可以看做是一个DC电压源，类似地，一个电感器如输出电感Lbuck可以看作是一个DC电流源，这些近似有助于直观理解与理论分析。

图5所示，当开关在两个位置之间交替切换时，电流流经路径的变化引起了磁通量的变化。大电感器Lbuck使输出电流大约保持恒定。类似地，大电容器Cin保持电压大约等于Vin。由于输入引线电感两端的电压不变，所以输入电流也大约保持恒定。

尽管输入电流和输出电压基本不变，但当开关从位置1切换到位置2时，总环路面积会迅速变化原来的一半。环路面积变化意味着磁通量的快速变化，从而沿着接地回路引起接地反弹。

实际上，降压型变换器由一对半导体电子开关组成，如图6所示，虽然每个图中的复杂程序增加，但是通过磁通量变化引起接地反弹的分析方法仍然很简单和直观。

事实上，磁通量的变化会沿着接地回路各处都产生电压，这就带来了一个有趣的问题：哪里是真正的地？因为接地反弹意味着，想对于称作地的某个理想点（那一点需要定义），在接地返回印制线上产生一个反弹电压。在电源稳压器电路中，真实的地应该连接在负载的低压端。毕竟DC-DC变换器的目的是为负载提供稳定的电压和电流。电流回路上的其他所有点都不是真正的地，只是接地回路的一部分。

由于在负载低压端接地并且环路面积变化是接地反弹的原因，那么减少接地反弹和电磁辐射，优化电路的接地的指导思想变是让DC-DC电路中电流环路面积最小，可以通过布局优化输入电容，输出电容，储能电感的位置来减少电流的环路面积。图7显示了如何精心放置输入电容Cin来减少环路面积降低接地反弹。

图7中 电容器Cin旁路PCB顶层的高端开关直接到达底层低端开关两端，因些减小了环路面积的变化，将其与接地回路隔离。当开关从一种状态切换到另一种状态时，从Vin底层到负载的底部，无环路面积变化或开关电流变化。因此接地回路中没有发生接地反弹。

图8 是一个不合理的PCB布局，当高端开关接通时，DC电流沿着外圈的红色环路流动。当低端开关接通时，DC电流沿着蓝色的环路流动，由此可见，这个电路布局在开关切换时产生了较大的环路变化，引起了磁通量的变化，产生了接地反弹和电磁辐射干扰。

为了清晰起见，在单层PCB布线，即使使用第二层整块接地平面也无法解决接地产生的反弹，图9就是一个简单盒子说明地平面无法解决问题。这里我们采用双层PCB以便在顶层电源线垂直处附加一个旁路电路。

在左边的例子中，地平面是整体的并且未切割。顶层印制电流通过电容 流过，穿过过孔，到达了地平面。因为交流电总是沿着最小阻抗路径流动，接地返回电流绕着其路径拐角返回电源。所以当电流的幅度或频率发生变化时，电流的磁场及其环路面积发生变化，从而改变磁通量。电流沿最小阻抗路径流动的规律意味着，即使采用整体地平面也会发生接地反弹--与其导通性无关。

在右边的例子中，一个经过合理切割的地平面会限制返回电流以使环路面积最小，从而大大减小接地反弹。在切割返回线路内产生的任何剩余接地反弹电压与通用地平面隔离。

图10中PCB布线采用双层PCB以便将输入电容和两个开关安装在地平面的孤岛上。这种布线不必最好，但它工作很好，而且能够说明关键问题。应该注意红色电流和蓝色电流包围的环路面积很大，但两个环路面积之差很小。环路面积变换很小意味着磁通量的变化小---接地反弹小，然而一般情况下也要保证环路面积小，图10只是为了说明交流电流路径匹配的重要性。

另外，在磁场和环路面积发生变化的接地回路孤岛内，沿着任何接地回路引起的接地反弹都受接地切割限制。此外，可能第一眼看上去，输入电容Cin好像没有位于图7中所示的顶层高端开关和低层低端开关之间，但进一步观察才会发现是这样。尽管物理临近可以很好，但真正起作用的是通过最小化环路面积实现的电子接近。

升压型变换器中的接地反弹

升压型变换器实际上是降压型变换器的反射，如图11，它是输出电容必须话在顶层高端开关和底层低端开关之间以使环路面积变化最小。

小结

接地反弹电压主要是由于磁通量变化引起的。在DC-DC开关电源中，磁通量变化是由于在不同的电流环路面积之间高速切换DC电流引起的。但是精心放置降压型变换器的输入电容和升压型变换器的输出电容并且合理切割接地平面可以隔离接地反弹。然而，重要的是当切割地平面时必须 谨慎以避免增加电路中其它返回电流的环路面积。

另外一个合理的布线应该将真正的地放在连接负载的底层，不会引起环路面积的变化或电流的变化。任何其它与导通相关的点都可以称为“地”，但它只是沿着返回路径的一点而已。

其它用于接地分析的有用概念

如果你下述基本概念，你就会清楚地知道什么情况会产生接地反弹 ，什么情况不会产生接地反弹。图12给出相互垂直的两个导体不会遭受磁场的互相影响。

沿着相同方向传输相等的电流的两条平行导线周围产生的磁力线在两个条导线之间处传统相互抵消，所以两条导线总储存能量要比单独一条导线储存的能量少。因些，PCB宽印制线的电感要比窄印制线小。

沿相反方向传输相等电流的两条平等导线周围产生的磁力线在两条导线的外部相互抵消，而在两条导线之间处增强。如果内部环路面积缩小，那么总磁通量也随之变小。该现象可以解释为何交流地平面的返回电流总是澡顶层印制线导线下方流动。

图15展示出了为何拐角增加电感，一条直导线只能看到它自己的磁场，但在拐角处，还能看到垂直导线的磁场。因此，拐角储存了更多的磁场能量，其电感要大于直导线。

图16给出了在传输线导线下面切割接地平面，由于转移回路电流可增加环路面积，从而增大环路尺寸并且助长接地反弹。

总结

接地反弹一直是一个潜在的问题。对于显示器或电视，意味着图像有噪声，对于音频设备意味着噪声本底。在数字系统中，接地反弹可能会导致计算错误---甚至是系统崩溃。对于预测接地反弹幅度来说，仔细估计寄生元素和仿真是有效的方法。但对指导 电路设计的直觉，理解背后的物理原理是很必要的。

首先，设计PCB时，应该将负载的低压端设置为真正的地。

然后，用电流源和电压源代替大电感和电容器以简化电路动态特性。观察每种开关组合下的电流环路。应该使环路重叠，如果无法做到重叠，应该精心在在地平面上切割出一个小岛以确保只有DC流入和流出的孤岛开呈。

在大多数情况下，经过这些努力可以获得较好的接地性能。如果还是不行，应该首先考虑地平面的电阻，然后考虑所有开关和进入返回路径的寄生电容器两端流过的位移电流。

总之无论什么电路，原理都是相同，就是减小环路面积，减小开关变化时环路面积差。
 

审核编辑：汤梓红