如何从PCB布局布线下手来减少噪声-电子发烧友网

“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。

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。

第三步：电源器件

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。

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。

电流检测路径

为了避免干扰噪声引起精度下降，电流模式开关调节器的电流检测路径布局必须妥当。双通道应用尤其要更加重视，消除任何通道间串扰。

双通道降压控制器ADP1850将低端MOSFET的导通电阻RDS(ON)用作控制环路架构的一部分。此架构在SWx与 PGNDx引脚之间检测流经低端MOSFET的电流。一个通道中的地电流噪声可能会耦合到相邻通道中。因此，务必使 SWx和PGNDx走线尽可能短，并将其放在靠近MOSFET的地方，以便精确检测电流。到SWx和PGNDx节点的连接务必采用开尔文检测技术，如图2和图5所示。注意，相应的 PGNDx走线连接到低端MOSFET的源。不要随意将PGND 层连接到PGNDx引脚。

相比之下，对于ADP1829等双通道电压模式控制器，PGND1和PGND2引脚则是直接通过过孔连接到PGND层。

反馈和限流检测路径

反馈(FB)和限流(ILIM)引脚是低信号电平输入，因此，它们对容性和感性噪声干扰敏感。FB和ILIM走线应避免靠近高δI/δt走线。注意不要让走线形成环路，导致不良电感增加。在ILIM和PGND引脚之间增加一个小MLCC去耦电容 (如22 pF)，有助于对噪声进行进一步滤波。

开关节点

在开关调节器电路中，开关(SW)节点是噪声最高的地方，因为它承载着很大的交流和直流电压/电流。此SW节点需要较大面积的铜来尽可能降低阻性压降。将MOSFET和电感彼此靠近放在铜层上，可以使串联电阻和电感最小。

对电磁干扰、开关节点噪声和响铃振荡更敏感的应用可以使用一个小缓冲器。缓冲器由电阻和电容串联而成(参见图 6中的RSNUB和CSNUB)，放在SW节点与PGND层之间，可以降低SW节点上的响铃振荡和电磁干扰。注意，增加缓冲器可能会使整体效率略微下降0.2%到0.4%。

栅极驱动器路径

栅极驱动走线(DH和DL)也要处理高δI/δt，往往会产生响铃振荡和过冲。这些走线应尽可能短。最好直接布线，避免使用馈通过孔。如果必须使用过孔，则每条走线应使用两个过孔，以降低峰值电流密度和寄生电感。

在DH或DL引脚上串联一个小电阻(约2 Ω至4 Ω)可以减慢栅极驱动，从而也能降低栅极噪声和过冲。另外，BST与SW 引脚之间也可以连接一个电阻(参见图6)。在布局期间用0 Ω栅极电阻保留空间，可以提高日后进行评估的灵活性。增加的栅极电阻会延长栅极电荷上升和下降时间，导致 MOSFET的开关功率损耗提高。