开关电源和稳压器PCB布局指南分享

开关电源和稳压器PCB布局指南分享

电源和稳压器有多种形状和尺寸。 尽管它们通常被视为不同的产品，但它们在电气上是等效的，尤其是开关稳压器。 从先进系统的角度来看，电源的开关稳压器部分和实际的稳压器电路在同一个框图中执行相同的功能。

对于电源而言，这只是规模以及稳压器如何与系统中其他电源转换模块集成的问题。 电源中的开关稳压器部分和 PCB 上的开关稳压器电路应根据相同的一般准则进行布置，以确保低噪声运行。

在下一节中，我想简要关注电源和稳压器之间的差异，尽管大多数设计人员已经知道这一点。 电源将（或应该）包括电源调节器，但调节器可以是独立的电路，而不是所谓的电源。 对于带有板载稳压器的电源和PCB，开关稳压器的布局将是决定整体系统性能的主要因素。 因此，我们在稳压器布局方面主要关注一些开关电源的布局标准。

开关电源的系统布局标准

在查看开关电源的稳压器部分之前，我们应该首先查看整个系统的高级框图。 如果您正在设计电源，整个设备将具有拓扑。 这对于壁装电源插座的交流电源尤其重要。

系统的高级框图可以在多块板上实现，尽管通常所有东西都放置在一块板上，以便为大型变压器、散热器、风扇和机械安装支架留出空间，特别是对于高压/电流电源。 如果您正在设计一个小型稳压器，以便将电路板插入电源单元，那么无论如何您都将采用上述拓扑，并且输出稳压器和新稳压器之间只有一根地线。 同样，这对于大电流电源来说很常见。

我们有三个独立的接地区域，它们与盖子连接在一起。 不要盲目遵循使用电容的准则：没有一种 PCB 接地技术可以解决所有噪声源，因此使用电容时应非常小心。 如图所示，这是保证所有接地区域具有恒定接地电位的方法。 这是工业以太网系统接地的推荐方法。 这里的想法是防止两个接地部件之间可能产生任何直流电势

这里的危险是会产生接地环路和共模噪声，必须将其过滤。 这样，将接地线绑在一起基本上是用金属外壳完成的工作，而塑料外壳将使接地线保持隔离。 这变得很棘手，需要仔细的电路设计和 PCB 布局才能通过所有 EMC 测试。

输出级

输出级不需要电流隔离； 它取决于直流稳压器的拓扑（请参阅反激式转换器的示例）。 通常，在输出端放置传导EMI滤波器电路或共模扼流圈，以抑制到达负载电路的共模电流。 除了这些要点之外，还将使用特定于稳压器拓扑的最佳实践来安排输出稳压器级。 我将在下面介绍这些有关监管机构布局的更广泛的想法。

电源的输出级可能不是系统中的最终调节器。 相反，可以为另一个稳压器或一系列稳压器供电，每个稳压器将以某个最大电流为一组组件提供设定电压。 同样，这可以在单板或多块板上完成（一块用于电源，一块用于调节器级）：

布局每个电路块

现在，我们已经看到了整个系统的架构，也可以大致了解开关电源以及整个系统中各个电路模块如何布局，以保证低EMI和安全。

分段布局：与其他具有多个功能块的电路板一样，尝试电源板的分段布局。 这可以在框图中从输入到输出线性地完成。

规划带有反馈的布局：有时，例如在精密大电流调节器中，部件之间会存在一些反馈。 使用光耦合器桥接每个部分之间的接地间隙。

遵循接地电路：如果PCB设计中有一般准则，则可能是“遵循接地电路”。 对于电源来说，这对于确定在何处生成共模电流并确保每个电源部分的环路电感较低至关重要。

注意高电流和高电压轨：高电压和高电流设计有时可以混合在一起。 两个导体之间的最大电位差将决定它们的最小间距，而导体承载的电流将决定其所需的宽度，以确保低温

光耦合器是小型 IC，可用于在两个电气隔离的接地区域之间桥接数据或感测信号。 光耦合器 (U4) 在 LLC 谐振转换器中用作反馈环路的一部分，与电流检测放大器一起精确调节转换器的开关频率。

在PDN设计部分，还应该考虑如何将各个部分接地以及如何将接地连接在一起以提供一致的参考电位。 正如我之前提到的，这对于防止 EMI 非常重要。 这应该在开始处理 PCB 布局之前完成。

功率开关稳压器的布局技巧

选择稳压器元件、创建原理图并设计接地/分布策略后，您可以开始考虑 PCB 布局。 开关电源稳压器的PCB布局需要平衡：需要平衡导体尺寸和电气间隙要求，但需要使结构紧凑。始终为您的系统实施最小间隙和布线宽度规则。尽可能缩短电压/电流检测反馈线，选择最直接的路线。

您可能需要在驱动器和控制器 IC 周围收集一些控制和检测组件，因此请确保在它们之间建立短连接。 这些组件可以聚集在一个狭窄的区域中（见下文）。如果要设计大电流，可以考虑使用较厚的铜甚至金属芯PCB。不要害怕使用多边形作为组件或连接器的安装垫。 直接绑回飞机时要小心，因为您可能需要散热。

尽管监管机构非常高效，但它们仍然会变得很热。 确保在布局中留出空间以容纳 IC 上的任何散热器（如果有）。 另一种选择是使用热界面材料。

开关电源布局的某些部分可能非常紧凑，并且可能具有更宽的导轨/多边形。 不要害怕使用这些元件来确保您在安全温度下运行并创建低电感布局。

开关稳压器的具体布局指南将取决于拓扑、组件数量、反馈的存在和接地策略。 我希望您在开始 PCB 布局之前已考虑接地以防止 EMI 并提供所需的隔离。 要查看针对您的特定监管机构的更具体指南，请参阅以下附加资源：

• 如何设计升压调节器

• 隔离与非隔离电源：正确选择无故障

• LLC 谐振转换器设计和 PCB 布局

• 低噪声、低 EMI 稳压器

我们没有涵盖什么？

显然，上述开关电源和稳压电路的布局指南需要考虑很多因素。 还缺少什么？ 在上面的讨论中，电力调节和传输的一些关键方面没有出现：

PDN阻抗：如果您不设计高速/高频组件，则可能不需要担心PDN阻抗。 只要确保使用肥沃的电源轨和大量的地面即可。 如果您是为高速/高频设计的，低PDN阻抗对于抑制纹波非常重要，这通常需要大量的去耦电容器和高的层间电容。

电源EMI：我在上面提到过这一点。