基本开关稳压器布局技术

本文将介绍开关稳压器板布局的一些基本原理。虽然它侧重于升压型开关稳压器，但它所涵盖的概念在使用其他类型的开关稳压器时也很有用。本文讨论了接地方案、元件放置、减少噪声干扰以及降低杂散电容和电感的重要性。

在考虑如何最好地布置开关稳压器板时，最好回想一下其目的，即提供特定幅度的稳定电压。经验丰富的布局设计师通过密切关注接地方案来实现稳定的电压。他们知道接地从来都不是完美的——接地不是“只是地面”，你用它做什么对电路的成功至关重要。此外，他们特别注意放置各种稳压器组件的位置。

地

让本科工程师画出代表地面的三条小线也许是错误的。这个符号倾向于培养一种幻想，即地面是理想的。通过绘制更长的线将各种电路组件连接到电源或电池的负极端子，您可以更容易地直觉地认为接地是有缺陷的。这些线表明电流通过接地层或走线的电阻和电感流回电源，在此过程中产生电压降。因此，他们悄悄地指出，接地与您通常称为零伏特的完全稳定的电压不同。

图1所示的升压转换器说明了为什么有必要考虑不完美的接地。该稳压器依靠控制器 IC 内的基准电压源和两个反馈电阻来产生特定电压。为了获得准确的反馈，从而获得精确的输出，基准电压源、电阻分压器和输出电容的接地必须处于相同的电位。更具体地说，控制器的模拟接地引脚（即基准电压源的接地）的电压和电阻分压器接地端子的电压必须等于输出电容接地端子的电压。输出电容的接地端子电压很重要，因为负载（需要稳压器精确输出电压）通常放置在输出电容旁边，因此我们希望反馈参考到该特定接地部分。

图1.这种升压型开关稳压器成功布局背后的理念也适用于其他开关稳压器拓扑的布局。

出于另一个原因，控制器需要反馈给它的精确电压。为了实现无抖动开关，控制器需要准确显示输出电压的任何交流扰动。它通过反馈接收准确的图片。

元件放置

除接地方案外，稳压器组件的正确放置也很重要。例如，控制器内的基准电压源必须通过靠近REF引脚放置的电容旁路;基准上的噪声可能会影响输出电压。此外，该旁路电容器的接地端子必须连接到一个安静的接地，该接地与噪声较大的电源接地隔离（以及控制器的模拟接地引脚和电阻分压器的接地端子）。此外，将这种安静的接地与噪声较大的电源接地隔离也很重要。

为什么我们必须将嘈杂的地面与安静的地面隔离开来？毕竟，无论如何，我们都必须将两个部分的地面连接在一起。这种隔离对于防止高电平开关电流通过与模拟信号相同的接地回路返回电池或电源是必要的。如果发生这种情况，这些敏感信号的接地路径将受到干扰;流过接地电阻和电感的高电平开关电流将导致沿返回路径的电压变化。

查看噪声较大的电源部分可以显示如何最好地将其与电路的其余部分隔离。图2显示了稳压器电源部分的两条电流路径。当 MOSFET 导通时，电流流过输入环路;当它关闭时，它流经输出回路。通过将构成两个环路的元件彼此靠近放置，高电流将保留在稳压器的电源部分（并离开安静元件的接地返回路径）。所以 C在、L1 和 Q1 应彼此靠近。另外，C在、L1、D1 和 C外也应该很接近。图 2 中绘制了两个环，以阐明哪些组件属于紧密相连的组件。

图2.必须特别注意将图中所示的两个电流环路的组件紧挨在一起。使用短而宽的走线来实现这种紧凑的布局，可以提高效率，减少振铃，并有助于防止对电路中较安静部分的干扰。

实际布局通常涉及一些折衷方案，在布置上述两个循环的组件时，这可能是必要的。如果需要选择哪些应该靠近放置在一起的组件实际上放在一起，那么确定每个回路中的哪些组件都有不连续的电流流过它们。这些是最重要的元件，需要彼此靠近放置，以尽量减少杂散电感。请参阅下面的最小杂散电容和电感。

其他注意事项

无论电池还是电源为升压开关稳压器供电，电源都表现出非零电阻。这意味着当稳压器从电源吸收快速变化的电流时，电源的电压会发生变化。为了改善这种影响，电路板设计人员将输入旁路电容放置在上述两个电源环路附近（有时使用两个电容——陶瓷电容和极化电容并联）。这样做不是为了稳定馈送到电源部分的电压;如果馈送电压发生变化，电源部分仍将正常工作。相反，将旁路电容器放置在电源环路附近有助于将高交流电流限制在电源部分，这有助于防止这些电流干扰更安静的电路。

这种干扰是如何发生的？三种方式。首先，如上所述，如果电源部分的接地回路电流流过稳压器模拟电路中某些敏感部分的部分或全部接地回路路径，则由于其中的电阻和电感，它将在该接地路径上增加开关噪声。接地噪声会降低稳压器输出的精度。它还可能干扰位于同一电路板上的其他敏感电路。其次，与对接地路径的担忧类似，电池或电源正轨上的开关噪声可以传导到由同一电源轨供电的其他组件。这包括控制器IC，其参考可能会反弹。在控制器的电源引脚上增加一个R/C滤波器有助于输入旁路电容两端的电压变化。第三，交流电流流动的面积越大，它们产生的磁场就越大，因此这些电流造成干扰的可能性就越大。将输入旁路电容放置在电源部分旁边可最大限度地减少该面积，从而减少潜在干扰。

如果两个分压电阻放置不当，噪声也会导致问题。将两个电阻放在控制器的FB引脚旁边，可确保将相对无噪声的电压反馈给控制器。以这种方式放置电阻可最大限度地减少从电阻分压器的中点到开关稳压器的FB引脚的走线长度 - 这是必要的，因为电阻分压器和FB引脚上的内部比较器的输入都是高阻抗的，因此连接它们的走线容易拾取（主要通过电容耦合）开关稳压器不可避免地产生的噪声。但是，您可以将从稳压器输出到电阻分压器“顶部”的走线以及从电阻分压器的“底部”或接地侧到输出电容接地侧的走线相对较长;开关稳压器的低输出阻抗降低了这些走线上的耦合噪声。

将杂散电容和电感降至最低

识别图1电路中电压快速变化的节点，表明电容的最小值，因为电容的电压不希望快速变化。由电感、二极管和MOSFET结形成的节点是电路功率部分中唯一的此类点;当开关导通时，该节点接近地电位，当开关关断时，该节点上升到高于输出电压的二极管压降。确保以最小化此节点杂散电容的方式运行电路板走线。如果杂散电容减慢了该节点的电压转换，稳压器的效率就会受到影响。保持该节点的尺寸较小不仅有助于降低其杂散电容，还可以降低其产生的EMI。但是，不要通过使用窄跟踪来使节点的区域变小。相反，请使用宽而短的跟踪。

识别具有快速变化电流的电路分支可以显示电感最小化的位置。让人联想到电容器两端的电压，通过电感器的电流不喜欢快速变化。当通过电感的电流快速变化时，会导致该电感处的电压尖峰和振铃，从而产生潜在的EMI问题。此外，该振铃电压的幅度可能足够高，以至于对各种电路元件造成损坏。

图3显示了电路三个分支的电流波形。当前的I1不存在问题，因为它以相对渐进的方式变化;此外，那里已经存在大电感，即L1本身。然而，与MOSFET串联的电感确实会引起问题，因为电流I3突然变化。该系列电感包括来自I内任何物体的电感3返回 C 的路径在接地端子：来自Q1引线的杂散电感以及接地返回路径本身的电感。注意电流通过C在不会经历快速更改;它等于电感电流的交流部分（I1）。（电池为直流部分供电。快速变化的电流也会流过 MOSFET 关断时形成的环路的一部分。此电流（I2） 流经 D1 和 C外以及接地回路中的铜，因此必须尽量减少这些元件和接地回路的杂散电感。

图3.开关稳压器电路分支的电流波形指示在何处最小化杂散电感。快速变化的电流（例如，I2和我3） 要求将路径中的电感降至最低。

在考虑负载引线中的电感是否也会造成问题时，请记住，如果输出电容足够大且ESR足够低，则其电压保持相对稳定。这意味着通过负载电阻的电流不会有太大变化，因此与其串联的电感无关紧要 - 除非负载本身动态变化。

创建可行的电路板布局

有几种方法可以使用开关稳压器电路的接地部分。一种是对所有接地连接使用单个接地层，这种方法可能效果不佳。当使用该技术时，来自电路功率部分的接地电流可能通过与电阻分压器的接地电流相同的接地路径，电阻分压器的用于旁路某些引脚的电容器、控制器的模拟接地或所有三个，从而导致其接地反弹。

最好的方法可能是创建两个独立的接地部分 - 一个用于电源组件，另一个用于稳压器更安静的模拟部分。参见图 4a。电源电路的接地部分由输入和输出电容接地端子以及MOSFET的源极组成。这些连接应使用短而宽的迹线进行。最大化电源电路接地走线（以及其他电源走线）的宽度并最小化其长度，可通过降低电阻来提高效率。

模拟接地部分为控制器的模拟接地引脚、电阻分压器接地端子以及绕过控制器某些引脚（不是主输入旁路电容器 C）的任何电容器的接地端子提供接地回路路径在不过）。模拟地不必是平面。相反，您可以使用长而分散的走线，因为电流水平低且相对恒定;走线电阻和电感不是大因素。

将控制器的AGND引脚连接到PGND引脚，如图4a所示。在这些引脚上连接两个接地部分可确保模拟接地内没有开关电流循环。AGND和PGND之间的连接可能相对较窄，因为几乎没有电流流过该路径。虽然理想情况下AGND引脚将直接连接到C外的接地端子，许多控制器IC要求其两个接地引脚直接相互连接（否则，如果两个引脚之间的电压变得足够大以打开它们之间连接的二极管，则可能会出现问题）。通过从PGND到C的跟踪外反馈电阻和控制器内部的基准电压源短而宽，与稳压器输出具有基本相同的接地电位。这一事实很重要，因为输出电压是这些元件设置用来控制的。

图4.使用单独的模拟和电源接地区域可将较高幅度的电源接地电流与较安静的模拟接地电流隔离开来，从而保护这些较安静电流流经的路径。

有时，有些电容器会绕过控制器，而这些电容器不应连接到模拟或接地的电源部分。R/C滤波器绕过升压开关稳压器的V+引脚（如上所述）就是一个例子。在这种情况下，电容器的接地引脚对于模拟地来说噪声太大;同时，电源接地对于电容器来说噪声太大。您应该将此类电容器直接返回到连接控制器的 AGND 和 PGND 引脚的走线（如果控制器仅提供一个接地引脚，则应直接返回到 GND 引脚）。

最后， 电路板层数在PCB布局中起着重要作用。在多层板上，您可以使用其中一个内层作为屏蔽。屏蔽层允许您将元件放置在电路板的另一侧，远离嘈杂的元件，几乎没有干扰的可能性。当包含屏蔽层时，通常不是一个好主意，通过屏蔽连接电源组件的接地侧引线。相反，将它们连接到一个孤立的、狭窄的区域，这样你就知道这些电流将流向哪里以及它们会产生什么影响。

无论层数多少，都要在顶层进行那些功率组件接地连接;这样做会将电流限制在不会干扰其他地面的已知路径上。如果无法做到这一点，可以使用隔离的铜片和过孔通过其他层进行这些连接。对于每个连接，并联使用多个过孔以降低其电阻和电感。

审核编辑：郭婷