開(kāi)關(guān)電源是電子電路中廣泛使用的一種電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無(wú)論是復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床還是緊湊的電子設(shè)備，只要設(shè)備連接到某種電源，開(kāi)關(guān)電源電路就是必不可少的。

無(wú)論電路的設(shè)計(jì)和功能是怎么樣的，不正確或者有故障的電源單元都有可能導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重故障。

這篇文章就來(lái)講講 PCB 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)。

一開(kāi)關(guān)電源電路 4 個(gè)組成部分

首先，要設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電路，就需要明確的電路要求和規(guī)格，電源有 4個(gè)重要部分：

1、輸入和輸出過(guò)濾器

2、用于驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器電路和相關(guān)組件，尤其是控制電路。

3、開(kāi)關(guān)電感器或變壓器

4、輸出橋和相關(guān)的濾波器

01輸入和輸出過(guò)濾器

輸入和濾波器部分是嘈雜或未調(diào)節(jié)的電源線連接到電路的地方。

因此，輸入濾波電容需要與輸入連接器和驅(qū)動(dòng)電路保持均勻的間距，必須始終使用較短的連接長(zhǎng)度將輸入部分與驅(qū)動(dòng)器電路連接起來(lái)。

上圖中突出顯示的部分表示濾波電容的緊密放置

02用于驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器電路和相關(guān)組件，尤其是控制電路。

驅(qū)動(dòng)器主要由內(nèi)部 MOSFET 組成，有時(shí)也外接開(kāi)關(guān) MOSFET。開(kāi)關(guān)線總是以非常高的頻率打開(kāi)和關(guān)閉，并產(chǎn)生非常嘈雜的電源線。這部分總是需要與所有其他連接分開(kāi)。

例如，直接連接到變壓器的高壓直流線路（對(duì)于反激式 SMPS）或直接連接到功率電感器的直流線路（基于降壓或升壓拓?fù)涞?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器/" target="_blank">開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器）應(yīng)該分開(kāi)。

在下圖中，突出顯示的信號(hào)是高壓直流線，信號(hào)以與其他信號(hào)分離的方式路由。

突出顯示的信號(hào)是高壓直流線，信號(hào)以與其他信號(hào)分離的方式路由

開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)中最嘈雜的線路之一是驅(qū)動(dòng)器的漏極引腳，無(wú)論是AC 到 DC 反激設(shè)計(jì)，還是基于降壓、升壓或降壓-升壓拓?fù)涞牡凸β书_(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)。它總是需要與所有其他連接分開(kāi)并且需要非常短，因?yàn)檫@種類型的路由通常攜帶非常高頻的信號(hào)。將此信號(hào)線與其他信號(hào)線隔離的最佳方法是通過(guò)銑削或尺寸層使用 PCB 切口。

在下圖中，顯示了與光耦合器保持安全距離的隔離漏極引腳連接，并且 PCB 切口將消除來(lái)自其他路由或信號(hào)的任何干擾。

與光耦合器保持安全距離的隔離漏極引腳連接

另一個(gè)重要的一點(diǎn)是，驅(qū)動(dòng)器電路幾乎總是具有非常敏感的反饋或感測(cè)線（有時(shí)不止一條，例如輸入電壓感測(cè)線、輸出感測(cè)線），并且驅(qū)動(dòng)器操作完全依賴于感測(cè)反饋。任何類型的反饋或感測(cè)線的長(zhǎng)度都應(yīng)該更短，以避免噪聲耦合。這些類型的線路總是需要與電源、開(kāi)關(guān)或任何其他嘈雜的線路分開(kāi)。

下圖顯示了從光耦合器到驅(qū)動(dòng)器的單獨(dú)反饋線。

從光耦合器到驅(qū)動(dòng)器的單獨(dú)反饋線

不僅如此，驅(qū)動(dòng)電路還可以具有控制驅(qū)動(dòng)電路操作所需的多種類型的元件，例如電容器、RC濾波器。這些組件需要靠近驅(qū)動(dòng)器放置。

03開(kāi)關(guān)電感器或變壓器

開(kāi)關(guān)電感是任何電源板中僅次于大容量電容的最大可用組件。一種糟糕的設(shè)計(jì)是在電感引線之間布線任何類型的連接。重要的是不要在電源或?yàn)V波器電感焊盤之間路由任何信號(hào)。

此外，無(wú)論何時(shí)在電源中使用變壓器，尤其是在 AC-DC SMPS 中，該變壓器的主要用途是隔離輸入與輸出。初級(jí)和次級(jí)焊盤之間需要足夠的距離。增加爬電距離的一種最佳方法是使用銑削層應(yīng)用 PCB 截止。切勿在變壓器引線之間使用任何類型的布線。

開(kāi)關(guān)變壓器之間的PCB 切斷

04輸出橋和相關(guān)的濾波器

輸出電橋是一個(gè)大電流肖特基二極管，根據(jù)負(fù)載電流散熱。在少數(shù)情況下，需要使用銅平面在 PCB 本身中創(chuàng)建 PCB 散熱器。散熱器效率與 PCB 銅面積和厚度成正比。

PCB 中常用的銅厚度有兩種，35 微米和70 微米。厚度越高，熱連接性越好，PCB 散熱片面積越小。如果 PCB 是雙層的，并且 PCB 中有些加熱空間不可用，則可以使用銅平面的兩側(cè)，并可以使用公共通孔連接這兩側(cè)。

下圖是在底層創(chuàng)建的肖特基二極管的 PCB 散熱器示例。

底層創(chuàng)建的肖特基二極管的 PCB 散熱器示例

緊接在肖特基二極管之后的濾波電容需要非常靠近變壓器或開(kāi)關(guān)電感放置，以使通過(guò)電感器、橋式二極管和電容器的電源回路變得非常短。這樣，可以降低輸出紋波。

下圖是從變壓器輸出到橋式二極管和濾波電容器的短回路示例。

從變壓器輸出到橋式二極管和濾波電容器的短回路示例

二

開(kāi)關(guān)電源電路 PCB 設(shè)計(jì)布局技巧

有一些基本的開(kāi)關(guān)電源電路 PCB 布局規(guī)則需要遵循，這樣可以保證 PCB 設(shè)計(jì)具有 低噪聲、低輻射 EMI 并保持在低溫下。

具體有以下幾點(diǎn)：

盡量通過(guò)適當(dāng)?shù)囟x接地，在 PCB 布局中放置短路路徑以及在 PCB 中布置電隔離來(lái)保持低 EMI，從而減少噪聲耦合。

如果布局中存在噪聲、需要包絡(luò)跟蹤等功能或者特定的噪聲導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題，則在需要時(shí)使用適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵?EMI 濾波器電路。

使用大量銅為重要組件的散熱提供路徑，如果需要，你可以考慮獨(dú)特的外殼設(shè)計(jì)，以及熱組件上的散熱器或風(fēng)扇。

放置快速開(kāi)關(guān)、大電流電路，例如 mos 管陣列，防止在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)期間出現(xiàn)寄生振蕩。

01定義地面時(shí)要小心

要考慮的第一個(gè)開(kāi)關(guān)模式電源 PCB 布局指南是如何在布局中定義接地。在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電路時(shí)，請(qǐng)記住存在五個(gè)接地點(diǎn)。這些可以分成不同的導(dǎo)體以確保電流隔離。這些是：

輸入大電流源地

輸入大電流電流回路接地

輸出大電流整流器地

輸出大電流負(fù)載地

低位控制地

這些接地連接中的每一個(gè)都可能存在于物理上獨(dú)立的導(dǎo)體中，具體取決于轉(zhuǎn)換器、整流器或穩(wěn)壓器電路中對(duì)電流隔離的需要。

如果接地電容耦合，你的電源電路可能會(huì)接收共模噪聲，例如通常通過(guò)附近的導(dǎo)電外殼發(fā)生。PCB 中的接地區(qū)域應(yīng)在隔離元件的每一側(cè)明確定義，例如：

如果出于某種原因確實(shí)需要橋接接地以消除一些直流偏移，則 Y 級(jí)電容是最佳選擇，因?yàn)樗梢蕴峁└哳l濾波并消除接地區(qū)域之間的直流偏移。

在某些開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，Y 級(jí)電容可用于橋接接地。

在某些開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，Y 級(jí)電容可用于橋接接地

每個(gè)大電流接地都用作電流回路的一個(gè)分支，但應(yīng)將其布置為為電流提供低阻抗返回路徑。這可能需要多個(gè)通孔返回接地層，以允許具有低等效電感的高電流。

這些點(diǎn)及其相對(duì)于系統(tǒng)接地的電位成為測(cè)量在電路不同點(diǎn)之間傳導(dǎo)的直流和交流信號(hào)的點(diǎn)。由于需要防止大電流交流地的噪聲溢出，適當(dāng)?shù)臑V波電容的負(fù)端作為大電流地的連接點(diǎn)。

定義地面區(qū)域的最佳做法是使用大平面或多邊形澆筑。這些區(qū)域提供了低阻抗路徑以將噪聲從直流輸出中消散，并且它們可以處理高返回電流。它們還提供了在需要時(shí)遠(yuǎn)離重要組件的熱量傳輸路徑。

在兩側(cè)放置接地層可吸收輻射 EMI、降低噪聲并減少接地回路誤差。在作為靜電屏蔽和消散渦流中的輻射 EMI 的同時(shí)，接地層還將電源層的電源走線和組件與信號(hào)層組件分開(kāi)。

設(shè)計(jì)中的接地區(qū)域可以根據(jù)其功能賦予多個(gè)名稱。在你的設(shè)計(jì)中定義接地區(qū)域時(shí)要小心，并確保將它們正確連接在一起。

接地層在電源 PCB 布局之外的系統(tǒng)中也很重要。確保將連接定義為具有低阻抗而不影響裝配。

共模噪聲和傳導(dǎo)紋波是 PCB 布局中的主要噪聲源，當(dāng)噪聲極端時(shí)，它們會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)無(wú)法通過(guò) EMI 測(cè)試。

電源和接地層提供低阻抗連接，同時(shí)提供遠(yuǎn)離系統(tǒng)重要部分的散熱路徑。

電源和接地層提供低阻抗連接，同時(shí)提供遠(yuǎn)離系統(tǒng)重要部分的散熱路徑

電源和接地層提供低阻抗連接，同時(shí)提供遠(yuǎn)離系統(tǒng)重要部分的散熱路徑。

02減少開(kāi)關(guān)電源 PCB 布局的接地反彈

首先，接地填充是必不可少的，分離電源電路中的不同接地層是另一個(gè)最重要的事情。

從電路的角度來(lái)看，開(kāi)關(guān)電源可以為所有組件提供一個(gè)公共接地，但在 PCB 設(shè)計(jì)階段并非如此。

根據(jù) PCB 設(shè)計(jì)的角度，地分為兩部分。第一部分是電源地，第二部分是模擬或控制地。這兩個(gè)地具有相同的連接，但有很大的不同。與驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)的組件使用模擬或控制接地。這些組件使用創(chuàng)建低電流返回路徑的接地層。

另一方面，電源地承載高電流返回路徑。電源組件噪聲很大，如果直接連接到同一地線，可能會(huì)導(dǎo)致控制電路出現(xiàn)不確定的接地反彈問(wèn)題。下圖顯示了模擬和控制電路如何在單層 PCB 中與 PCB 的其他電源線完全隔離。

模擬電路和控制電路與其他電源線完全隔離

這兩個(gè)部分需要分開(kāi)，并且應(yīng)該在特定區(qū)域中連接。

如果 PCB 是雙層的，這很容易，就像頂層可以用作控制地，所有控制電路都應(yīng)該連接在頂層的公共接地層中。另一方面，底層可以用作電源地，所有有噪聲的組件都應(yīng)該使用這個(gè)地平面。但是這兩個(gè)接地是相同的連接并且在原理圖中連接?，F(xiàn)在，為了連接頂層和底層，可以使用通孔在一個(gè)地方連接兩個(gè)接地層。例如，見(jiàn)下圖：

使用通孔在一個(gè)地方連接兩個(gè)接地層

驅(qū)動(dòng)器的上面部分有所有電源濾波器相關(guān)的電容它們使用一個(gè)單獨(dú)的接地層，稱電源為 GND，但驅(qū)動(dòng)器 IC 的下面部分是所有控制相關(guān)的組件，使用一個(gè)單獨(dú)的控制 GND。兩個(gè)接地是相同的連接，但單獨(dú)創(chuàng)建。兩個(gè) GND 連接然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)器 IC 連接。

03設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作

開(kāi)關(guān)電源電路通過(guò)在截止操作狀態(tài)和飽和操作狀態(tài)之間快速切換通路單元并向輸出負(fù)載提供恒定功率來(lái)操作。

在截止時(shí)，通過(guò)單元上存在高電壓，但沒(méi)有電流流動(dòng)。在飽和時(shí)，高電流以非常小的電壓降流過(guò)通路單元。因?yàn)?a target="_blank">半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)從直流輸入電壓產(chǎn)生交流電壓，所以開(kāi)關(guān)電源電路可以通過(guò)變壓器升壓或降壓電壓，然后在輸出端將電壓過(guò)濾回直流電。

脈寬調(diào)制 (PWM) 開(kāi)關(guān)電源可以在正向模式或升壓模式下運(yùn)行。正向模式電源在輸出端有一個(gè) LC 濾波器，它根據(jù)從濾波器獲得的輸出的電壓時(shí)間平均值產(chǎn)生一個(gè)直流輸出電壓。為了控制信號(hào)的電壓時(shí)間平均值，開(kāi)關(guān)電源控制器改變輸入矩形電壓的占空比。

04降壓轉(zhuǎn)換與升壓轉(zhuǎn)換

當(dāng)電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器模式電源直接在輸入電壓源上連接一個(gè)電感。電感電流從零開(kāi)始增加，并在關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)的同時(shí)達(dá)到峰值。輸出整流器鉗位電感輸出電壓并防止電壓超過(guò)電源輸出電壓。當(dāng)存儲(chǔ)在電感核心中的能量傳遞到輸出電容時(shí)，電感的開(kāi)關(guān)端會(huì)回落到輸入電壓的電平。

同時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器模式電源使用相同的組件，但采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以將電感的反電動(dòng)勢(shì)鉗位在低于輸入電壓的水平。開(kāi)關(guān)動(dòng)作提供與升壓轉(zhuǎn)換器相同的效果，其中輸出電流與充電/放電電容競(jìng)爭(zhēng)振蕩，從而能夠調(diào)節(jié)輸出功率。

兩種類型的穩(wěn)壓器/轉(zhuǎn)換器拓?fù)涠荚试S開(kāi)關(guān)噪聲傳播到設(shè)計(jì)中的輸出端口，這可以看作是輸出上的高頻紋波。

降壓和升壓轉(zhuǎn)換器布局可以承載需要大多邊形來(lái)容納熱量并防止功率損耗的大電流。

降壓和升壓轉(zhuǎn)換器布局

05電源路由有助于確保低噪聲運(yùn)行

開(kāi)關(guān)電源會(huì)傳導(dǎo)高頻噪聲，直到噪聲頻率達(dá)到開(kāi)關(guān)頻率的大約 100 倍。然后，噪聲頻率以每十倍頻 -20 到 -40 dB 的速度下降。由于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在“開(kāi)”和“關(guān)”電源狀態(tài)下運(yùn)行，具有尖銳邊緣的大電流脈沖會(huì)在開(kāi)關(guān)電源電路中流動(dòng)，從而產(chǎn)生 EMI。

ON 和 OFF 電源狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生 EMI，如果電源布局中的電流環(huán)路太大，可能會(huì)在系統(tǒng)的其他地方感應(yīng)到。開(kāi)關(guān)電源電路由電源開(kāi)關(guān)回路和輸出整流器回路組成，這些回路需要正確布線以防止噪聲過(guò)大。

布置電源時(shí)，要特別注意環(huán)路的周長(zhǎng)以及走線的長(zhǎng)度和寬度，使環(huán)路周長(zhǎng)保持較小可以消除環(huán)路用作低頻噪聲天線的可能性。從電路效率的角度來(lái)看，更寬的走線還為電源開(kāi)關(guān)和整流器提供了額外的散熱。

你可以使用主動(dòng)路由路由引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)人工路由結(jié)果，并安排組件以允許切換電流回路以相同方向進(jìn)行。由于電流回路沿相同方向傳導(dǎo)，控制電路耦合到布局中的特定點(diǎn)。因此，磁場(chǎng)不能沿著位于兩個(gè)半周期之間的走線反向并產(chǎn)生輻射 EMI。

使用電源布局時(shí)，應(yīng)使處理高開(kāi)關(guān)電流的走線短、直且粗。IPC 標(biāo)準(zhǔn)可用于計(jì)算推薦的走線寬度，但經(jīng)驗(yàn)法則是每安培的最小寬度為 15 密耳。

開(kāi)關(guān)電源電路 中的 EMI 濾波器可抑制由直流輸入和輸出接線中傳導(dǎo)的高頻電流引起的高頻噪聲。

下圖 PCB 布局中的組件緊密相連，并使用短而直接的走線進(jìn)行布線。

PCB布局

此 PCB 布局中的組件緊密相連，并使用短而直接的走線進(jìn)行布線。

審核編輯：湯梓紅