标签: 开关元件

在开关电源的设计中， PCB 布局设计与电路设计同样重要。合理的布局可以避免电源电路引起的各种问题。不合理的布局可能导致输出和开关信号叠加引起噪声增加、调节性能恶化、稳定性欠佳等。采用恰当的布局可以避免这些问题的发生。 1.DC-DC 的环流 图 1 ：开关元件 Q1 导通时的电流路径 如图 1 的红色线表示开关元件 Q1 导通时流过的主要电流和路径以及方向。 Cbypass 是高频用去耦电容器， CIN 是大容量电容器。开关元件 Q1 导通的瞬间，流过急剧的电流，其大部分由 Cbypass 提供，其次由 CIN 提供，缓慢变化的电流则由输入电源提供。 图 2 ：开关元件 Q1 关断时的电流路径 图 2 的红色线表示开关元件 Q1 关断时的电流路径。续流二极管 D1 导通，电感器 L 中蓄积的能量会释放到输出侧。因为降压转换器的输出拓扑结构中串联了电感，所以输出电容器的电流虽然上下波动，但比较平滑。 图 3 ：电流差分、布局方面的重要路径 图 3 的红色线表示图 24-1 和图 24-2 的差分。开关元件 Q1 从关断到开通，从开通到关断切换时，红色线部分的电流都会急剧变化。由于这个变化很快，所以会出现含有较多高次谐波的波形。该差分系统在 PCB 布局时是重要之处，需要给予最大限度的重视。 2.PCB 布局要点 PCB 布局要点大致如下： 1 ：将输入电容器，续流二极管和 IC 芯片放置在 PCB 的同一个面上，并尽可能靠近 IC 芯片放置。 2 ：为改善散热条件可以考虑加入散热过孔阵列。 3 ：电感可使来自开关节点的辐射噪声最小化，重要程度仅次于输入电容，需要放置在 IC 的附近处，电感布线的铜箔面积不要过大。 4 ：输出电容器尽量靠近电感器放置。 5 ：反馈路径的布线尽量远离电感器、续流二极管等噪音源。 3. 输入电容器的布局 设计布局时，首先应放置最重要的部件：输入电容器和续流二极管。在设计电流较小的电源（ Iout≤1A ）时，需要的输入电容也比较小，有时一个陶瓷电容器可以同时作为 CIN 和 Cbypass 来使用。这是因为陶瓷电容器的电容值越小，频率特性越好。但是，由于不同陶瓷电容器的频率特性不同，使用前确认好实际使用产品的频率特性。 图 4 ：陶瓷电容的频率特性 CIN:1µF 50V X5R 10µF 50V X5R CBY:0.1µF 50V X7R 0.47µF 50V X7R 如图 4 所示，当使用大容量电容器作为 CIN 时，一般而言其频率特性并不好，所以通常需要与 CIN 并联配置一颗频率特性优异的高频去耦电容器 Cbypass ， Cbypass 通常使用表面贴装型的叠层陶瓷电容器（ MLCC ），一般选择 X5R 或 X7R 型，容值为 0.1μF ～ 0.47μF 的电容。 图 5 ：理想的输入电容器的布局 如果 Cbypass 、 IC 的 VIN 引脚与 GND 引脚的距离较远，受布线寄生感抗的影响会产生电压噪声 / 振铃，所以尽量缩短二者之间的布线距离。降压转换器的应用中，即使将 Cbypass 放置在离 IC 最近的位置， CIN 的地上也存在着数百 MHz 的高频。因此建议 CIN 的接地和输出电容器 Cout 的接地要距离 1cm ～ 2cm 进行布局。 图 6 ： CBYPASS 放在与 IC 相同面的最近处时 CIN 放置在距离 2cm 处也不会有太大的问题。 图 7 ：将 CIN 放在 IC 的背面纹波电压可能会增大 图 8 ：不理想的输入电容布局受过孔和电感的影响噪声会增加 4. 续流二极管的布局 二极管 D1 要放置在与 IC 同一层且最靠近 IC 引脚的位置，图 24-9 是 Cbypass 、 CIN 及二极管 D1 的理想布局。如果 IC 引脚到二极管的距离过长，由布线的寄生电感引起的噪音毛刺会叠加到输出上。续流二极管要使用最短且较宽的布线，直接连接到 IC 的开关引脚和 GND 引脚。如果借助过孔和底层连接，受过孔寄生电感的影响，毛刺噪声将增加，因此续流二极管的布线绝对不能借助过孔。 图 9 ：理想的续流二极管布局 图 10 还展示了其他不合理的布局，续流二极管与 IC 的开关引脚及 GND 引脚距离较远，这会导致布线上的寄生电感增加从而导致噪音毛刺变大。为了改善布局不当产生的毛刺噪声，有时可能会追加 RC 缓冲电路作为应急处理。 图 10 ：不理想的续流二极管布局 如图 11 所示缓冲电路需要放置在 IC 的开关引脚和 GND 引脚的近处。即使放置在二极管的两端，也不能吸收由于布线的寄生电感产生的毛刺噪声（图 12 ）。 图 11 ：理想的缓冲电路布局 图 12 ：不理想的缓冲电路布局 5. 热焊盘 PCB 的铜箔虽然有助于散热，但因为厚度不够，超过一定面积就无法得到与面积相当的散热效果。利用基板散热是通过基板的板材实现的，使用散热过孔，能够有效地将热传递到基板的另一面并大幅降低热阻。 关注公众号“优特美尔商城”，获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯，欢迎留言讨论。