开关模式电源 PCB设计指南

 

电源设计师了解开关模式电源 PCB 布局布线的复杂技术细节和功能要求。布局布线决定了对电磁干扰 (EMI) 的敏感性、热行为、功率完整性和安全性。良好的布局布线确保了高效率的功率转换和传输到负荷，同时也让热传输远离布局布线中的热元件，确保了电子系统周围的噪音耦合处于低水平。安全也是开关调节器的重要因素，这可能会向输出端提供高电流，从而造成安全风险。

布局布线选择不佳会引发一些问题，这些问题会在高电流电平上发生，并且随着输出电压与输入电压之间的巨大差异而更加明显。在 PCB 布局布线不良的情况下，常见的电源问题包括：高输出电流的调节丧失、输出端噪音过高、开关波形以及电路不稳定。设计师结合使用直流电源完整性模拟工具、电路模拟和分析功能以及最好的布局和布线实用程序，可以确保设备的安全可靠。Altium Designer 提供电源 PCB 布局软件及其他，以帮助防止这些问题。

电源面临一系列挑战，需要一整套设计和分析功能，以确保电源正常运作。这些设计也会造成安全危害，令用户受到伤害，例如接触高电压、突然向用户放电。设计师如何确保能够设计安全、准确和可靠的电源？

开关模式电源在无元电路中使用开关电源元件，成为高电流整流交流电与高电压之间转换的标准。这些元件为非线性，常常使用反馈来维持调节，与典型的 LDO 调节器正好相反。在 LDO 中，通过误差放大器的饱和来维持调节，从而产生了在 PCB 布局中视为热的电阻损耗。

虽然从调节和效率角度看，开关调节器是首选，但由于其涉及更多元件，其中一些元件会有较大的寄生效应，如果不妥善安排，也会容易产生噪音问题。从下一个电源布局布线开始，遵循这些开关模式电源 PCB 布局布线指南，以确保设计可靠。

 

开始您的 SMPS PCB 布局布线

应遵循一些基本的 SMPS PCB 布局布线规则，有助于确保您的设计中噪音问题少、辐射 EMI 少，并且始终处于低温。大体上，指南可以概括如下：

• 正确界定接地、在 PCB 布局布线中设置短路径、在 PCB 中安排电隔离部分，以消除噪音耦合，从而降低 EMI。

• 如果布局布线中存在噪声、需要包络跟踪等功能或特定噪声源导致设计出现问题，请按需使用,适当地输入和输出 EMI 滤波器电路。

• 使用大量铜为重要元件提供散热路径。如果需要，可以考虑独特的围栏设计，以及在发热元件上设计散热器或风扇。

• 布置快速开关、高电流电路，如 MOSFET 阵列，以便在开关事件期间设计中没有寄生振荡。

监管机构，如保险商实验室 (Underwriter Laboratories) 和 IEC，测试了电源的辐射电磁干扰 (EMI)、传导 EMI、稳定性、效率和运行寿命。FCC 和 CE 条例也对开关模式电源的排放做出了限制，因为这些装置的辐射并非有意产生。Altium Designer 提供电路分析工具，助您详细了解设备的电气行为，而 PCB 布局布线工具可以帮助您开发既符合上述要求又考虑到模拟电气规格的布局布线。

 

小心界定接地

开关模式电源 PCB 布局布线的第一条指南是如何在布局中界定接地。在设计开关电源电路时，记住存在五个接地点。这些点可分成不同的导体，以确保电隔离。这些是：

• 输入高电流源接地

• 输入高电流环路接地

• 输出高电流整流器接地

• 输出高电流负荷接地

• 低电平控制接地

每个接地可能存在于实际独立的导体中，这取决于转换器、整流器或调节器电路中是否需要电隔离。如果接地是电容耦合，电源电路会接纳共模噪音，例如附近的导电外壳通常会发生。PCB 的接地区域应在隔离组件的每一侧明确界定，例如：

如果出于某种原因，确实需要桥接接地以消除某些直流偏移，那么 Y 级电容器是最佳选择，因为它提供高频过滤并消除接地区域之间的直流偏移。

 

在某些开关转换器应用中，Y 级电容器可用于桥接接地

 

每个高电流接地都是当前环路的一条支线，但其布置应该为电流提供低阻抗返回路径。这可能需要多重通孔回到接地层，以接纳低等效电感的高电流。这些点及其相对于系统接地的电位成为测量电路不同点之间传导的直流和交流信号的点。由于需要防止高电流交流接地的噪音逸出，适当的滤波电容器的负端充当高电流接地的连接点。

界定接地区域的最佳做法是使用大平面或多边形铺铜。这些区域提供低阻抗路径，使噪声从直流输出中消散，并能处理高回流。它们还提供了一条路径，在需要时，可以为重要元件散热。在两侧放置接地层，吸收辐射 EMI，降低噪音，减少接地回路误差。接地层当作静电屏蔽并消散涡电流中的辐射 EMI 时，也将电源层的走线和元件与信号层组件分开。Altium Designer 的 CAD 工具便于在 PCB 布局中界定接地，并放置大导体以用作 PCB 中的接地区域。特别是使用开关电源时，可以使用 PCB 两侧的接地层，并用通孔连接，以确保接地中的电位一致。

• 可以根据功能，为设计中的接地区域命名多个名称。小心界定设计中的接地区域，确保正确将其连接在一起。了解电路板接地、数字和模拟接地的详情。

• 接地层在电源 PCB 布局布线以外的系统中也很重要。确保您定义的连接具有低阻抗，而不影响元件。了解更多关于在 Altium Designer 中创建接地层的信息。

• 共模噪音和传导纹波是 PCB 布局布线中的主要噪音来源，当噪音极大时，会导致设计无法通过 EMI 测试。详细了解电源中的 EMI 以及降低 EMI 的步骤。

 

电源层和接地层提供低阻抗连接，同时提供远离系统重要部分的散热路径

 

示意图编辑器协助布局布线

接地是设计的重要起点，因为接地决定了 PCB 布局布线能否降噪以及路线安排。然而，这并不是电源设计的唯一考虑因素。开关操作和抑制 EMI 都置于电源中，需要在 PCB 中明确界定。

 

接地位置

SMPS 控制器能否精确调节输出电压取决于低电平控制接地的连接。处理集成电路、输入电容器、输出电容器和输出二极管时，确保组件连接到接地层。接地连接与一个点相连，在这个点，控制 IC 及其相关电路测量交流电流、直流电流、输出电压及其他主要参数。将低电平接地与电流感应电阻器或输出分压器的下侧连接起来，可以防止控制电路感应共模噪音

 

设计开关动作

SMPS 的工作方式是在截止工作状态与饱和工作状态之间快速切换通过单元，并向输出负载输送恒定功率。在截止时，整个通过单元都存在高电压，但无电流流通。在饱和时，高电流穿过通过单元，压降很小。由于半导体开关从直流输入电压中产生交流电压，所以 SMPS 可以用变压器升压或降压，然后在输出端将电压过滤成直流电。

脉宽调制 (PWM) 开关电源以正向模式或升压模式运行。正向模式电源在输出端有一个 L-C 滤波器，根据从滤波器获得的输出的伏特时间平均值，创建直流输出电压。为了控制信号的伏特时间平均值，开关电源控制器改变输入矩形电压的占空比。

 

降压转换器与升压转换器

电源开关打开时，升压转换器模式电源在输入电压源两端直接连接一个电感器。电感器电流从零开始增加，并在关闭电源开关时达到高峰。一个输出整流器钳制电感输出电压，防止电压超过电源输出电压。当电感器核心中的能量传递到输出电容器时，电感器的开关终端会回落到输入电压的电平。

同时，降压转换器模式电源使用相同的元件，但在不同的拓扑结构中，将电感的反电动势钳制在低于输入电压的电平。开关动作具有与升压转换器相同的效果，输出电流在与充电/放电电容器的竞争中振荡，从而实现对输出功率的调节。这两种类型的调节器/转换器拓扑结构都将开关噪音传播到设计中的输出端口，这可以看作是输出端的高频纹波。

 

降压和升压转换器布局可以承载高电流，需要大的多边形来容纳热量并防止功率损耗

 

电源路由帮助确保低噪音操作

开关电源会产生高频噪音，直到噪音频率达到开关频率的大约 100 倍为止。然后，噪声频率以每十年 -20 至 -40dB 的速度下降。由于开关调节器在“开”和“关”电源状态下工作，具有尖锐边缘的大电流脉冲在开关电源电路内流动，因此会产生 EMI。“开”和“关”电源状态之间的转换会产生 EMI，如果电源布局中的电流回路太大，则会在系统中的其他地方引发 EMI。开关电源电路由电源开关回路和输出整流器回路组成，这些回路需要正确布线，以防止噪音过大。

对电源进行布局布线时，要特别注意回路周围以及走线的长度和宽度。缩小回路周长，这样回路便不会当作低频噪音天线。从电路效率的角度来看，更广泛的走线也为电源开关和整流器提供额外的散热。您可以使用主动布线引擎来实现人工布线结果，安排元件，以使开关电流回路在同一方向上传导。随着当前的回路在相同方向上传导，控制电路耦合到布局布线中的特定位置。因此，磁场不能沿着位于两个半周期之间的走线反转并产生辐射 EMI。

• Altium Designer 的布线工具帮助您轻松布置用于高电流/高电压的多边形铺铜，或用于数据和控制线的更细走线。了解有关在 Altium Designer 中电源布局布线的更多信息。

• 使用电源布局时，处理大开关电流的走线应当简短、直接、厚实。可以运用 IPC 标准来计算推荐的迹线宽度，尽管按照经验，最小宽度是每安培 15 密耳。了解更多关于计算走线宽度以确保高电流承载能力的信息。

• SMPS 中的 EMI 滤波器抑制了直流输入输出布线中传导的高频电流所引起的高频噪音。您可以使用 Libraries 和 Altium Content Vault 中的集成元件定价、供应情况以及数据表链接，设计出效果最佳的滤波器。了解有关 PCB 布局中 EMI 滤波电路的更多信息。

 

此 PCB 布局中的组件保持紧密排列，并使用短而直接的走线进行布线

 

SMPS 交流电压节点的 PCB 布局布线提示

根据 SMPS 配置，交流电压节点存在于功率 MOSFET 的漏极或 BJT 的集电极以及输出整流器的阳极。这些节点都可以有高交流电压。例如，MOSFET 漏极的峰值交流电压可以达到输入电压的一到两倍。由于漏极通过绝缘体栓在散热器上，接地的散热器为电容耦合噪音提供了路径。您可以使用 Altium Designer 中的 PCB 布局布线工具，将易感信号放在同一侧，而不是在噪音交流节点下。此外，您可以对节点下方的接地层划出交叉影线，以消除噪音。

表面贴装环境的电容值较小，但可以将噪声耦合到敏感信号中。由于这些因素，您的布局还需要解决交流节点电压可能会电容耦合到散热器或相邻接地层的问题。在布置表面贴装 PCB 设计时，节点要足够大，以用作电源开关或整流器的散热器。一些多层设计使交流节点下方的所有层与交流节点相同，并使用镀通孔连接这些层，以增加设计的热质量。

 

Altium Designer 提供全套设计布局工具集

Altium Designer 中的整套 PCB 设计布局布线功能提供了全套工具，助您开发可靠安全的电源系统。您还可以创建和仿真重要的电源电路拓扑结构和 EMI 滤波器，它们可用于各种应用，从大功率直流系统到高频交流系统等等。Altium Designer 的 PDN 分析器插件为电路的直流电流和电压分析提供了最佳资源。设计开关模式电源的 PCB 布局似乎令人生畏，但 Altium Designer 提供多种工具，将复杂的电源分解成简单易懂的任务。

• Altium Designer 提供一切工具，助您把想法变成现实。您可以在 Altium Designer 中创建各种设计，从简单的 MOSFET 电路到高级 RF 电源设计等等。

• 用户使用 Altium Designer 的 PDN 分析器扩展，可以用行业标准直流电源完整性模拟，分析电源输出。

• 所有 Altium Designer 用户都可以在 Altium 365 平台上共享自己的电源设计。设计小组使用 Altium 365 来保持效率，并在安全云环境中共享设计数据。

使用适合 Altium Designer 中任何应用的最佳 CAD 工具创建 PCB 布局

 

一贯以来，Altium 的目标就是在统一设计界面中提供精简设计体验。Altium Designer 中的原理图编辑器、PCB 编辑器、SPICE 模拟包、布线功能和模拟工具满足您的一切需求，助您开发安全、可靠、无噪音的电源。若需要整套组件创建和管理工具，请使用Altium Designer开始创建并模拟您的设计。

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