如何从优化PCB布局布线，避免由开关电源布局不当而引起...

liang878238

噪声问题！”——这是每位电路板设计师都会听到的四个字。为了解决噪声问题，往往要花费数小时的时间进行实验室测试，以便揪出元凶，但最终却发现，噪声是由开关电源的布局不当而引起的。解决此类问题可能需要设计新的布局，导致产品延期和开发成本增加。
本文将提供有关印刷电路板(PCB)布局布线的指南，以帮助设计师避免此类噪声问题。作为例子的开关调节器布局采用双通道同步开关控制器 ADP1850，第一步是确定调节器的电流路径。然后，电流路径决定了器件在该低噪声布局布线设计中的位置。
PCB布局布线指南

第一步：确定电流路径
在开关转换器设计中，高电流路径和低电流路径彼此非常靠近。交流(AC)路径携带有尖峰和噪声，高直流(DC)路径会产生相当大的压降，低电流路径往往对噪声很敏感。适当PCB布局布线的关键在于确定关键路径，然后安排器件，并提供足够的铜面积以免高电流破坏低电流。性能不佳的表现是接地反弹和噪声注入IC及系统的其余部分。
图1所示为一个同步降压调节器设计，它包括一个开关控制器和以下外部电源器件：高端开关、低端开关、电感、输入电容、输出电容和旁路电容。图1中的箭头表示高开关电流流向。必须小心放置这些电源器件，避免产生不良的寄生电容和电感，导致过大噪声、过冲、响铃振荡和接地反弹。

典型开关调节器(显示交流和直流电流路径)
诸如DH、DL、BST和SW之类的开关电流路径离开控制器后需妥善安排，避免产生过大寄生电感。这些线路承载的高δI/δt交流开关脉冲电流可能达到3 A以上并持续数纳秒。高电流环路必须很小，以尽可能降低输出响铃振荡，并且避免拾取额外的噪声。
低值、低幅度信号路径，如补偿和反馈器件等，对噪声很敏感。应让这些路径远离开关节点和电源器件，以免注入干扰噪声。

第二步：布局物理规划
PCB物理规划(floor plan)非常重要，必须使电流环路面积最小，并且合理安排电源器件，使得电流顺畅流动，避免尖角和窄小的路径。这将有助于减小寄生电容和电感，从而消除接地反弹。
图2所示为采用开关控制器ADP1850的双路输出降压转换器的PCB布局。请注意，电源器件的布局将电流环路面积和寄生电感降至最小。虚线表示高电流路径。同步和异步控制器均可以使用这一物理规划技术。在异步控制器设计中，肖特基二极管取代低端开关。

采用ADP1850控制器的双路输出降压转换器的PCB布局
第三步：电源器件——MOSFET和电容(输入、旁路和输出)
顶部和底部电源开关处的电流波形是一个具有非常高δI/δt的脉冲。因此，连接各开关的路径应尽可能短，以尽量降低控制器拾取的噪声和电感环路传输的噪声。在PCB一侧上使用一对DPAK或SO-8封装的FET时，最好沿相反方向旋转这两个FET，使得开关节点位于该对FET的一侧，并利用合适的陶瓷旁路电容将高端漏电流旁路到低端源。务必将旁路电容尽可能靠近MOSFET放置(参见图2)，以尽量减小穿过FET和电容的环路周围的电感。
输入旁路电容和输入大电容的放置对于控制接地反弹至关重要。输出滤波器电容的负端连接应尽可能靠近低端 MOSFET的源，这有助于减小引起接地反弹的环路电感。图2中的Cb1和Cb2是陶瓷旁路电容，这些电容的推荐值范围是1 μF至22 μF。对于高电流应用，应额外并联一个较大值的滤波器电容，如图2的CIN所示。
散热考虑和接地层
在重载条件下，功率MOSFET、电感和大电容的等效串联电阻(ESR)会产生大量的热。为了有效散热，图2的示例在这些电源器件下面放置了大面积的铜。
多层PCB的散热效果好于2层PCB。为了提高散热和导电性能，应在标准1盎司铜层上使用2盎司厚度的铜。多个 PGND层通过过孔连在一起也会有帮助。图3显示一个4层 PCB设计的顶层、第三层和第四层上均分布有PGND层。

连接PGND层以改善散热
这种多接地层方法能够隔离对噪声敏感的信号。如图2所 示，补偿器件、软启动电容、偏置输入旁路电容和输出反馈分压器电阻的负端全都连接到AGND层。请勿直接将任何高电流或高δI/δt路径连接到隔离AGND层。AGND是一个安静的接地层，其中没有大电流流过。
所有电源器件(如低端开关、旁路电容、输入和输出电容等)的负端连接到PGND层，该层承载高电流。
GND层内的压降可能相当大，以至于影响输出精度。通过一条宽走线将AGND层连接到输出电容的负端(参见图4)，可以显著改善输出精度和负载调节。

AGND层到PGND层的连接
AGND层一路扩展到输出电容，AGND层和PGND层在输出电容的负端连接到过孔。
图2显示了另一种连接AGND和PGND层的技术，AGND层通过输出大电容负端附近的过孔连接到PGND层。图3显示了PCB上某个位置的截面，AGND层和PGND层通过输出大电容负端附近的过孔相连。