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電源PCB布局注意事項(xiàng)總結(jié)
時(shí)間:2023-05-19
來(lái)源: 芯洲科技
電源作為系統(tǒng)應(yīng)用中給其他功能供電的模塊，有著十分重要的地位。在電源設(shè)計(jì)中，好的PCB設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化電源效率，緩解散熱壓力以及降低噪聲，保證電源的輸出準(zhǔn)確而穩(wěn)定。目前工業(yè)、車(chē)載、通信、消費(fèi)類(lèi)等各類(lèi)產(chǎn)品應(yīng)用都提出了小型化、智能化的需求，相應(yīng)這些系統(tǒng)對(duì)電源方案提出了小型化的要求。本文針對(duì)板上電源的PCB布局進(jìn)行總結(jié)，形成了可供參考的電源PCB布局注意事項(xiàng)。
一、PCB布局基礎(chǔ)原則
1.1 電源的位置選擇
首先對(duì)于板上電源，需要在系統(tǒng)布局初期就考慮其位置。一個(gè)重要的原則是電源需要放置在負(fù)載的附近，防止PCB走線過(guò)長(zhǎng)，造成負(fù)載端的實(shí)際電壓與電源設(shè)定的輸出電壓壓差過(guò)大，影響供電精度，動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)變慢，電源效率降低。除了位置，還需要對(duì)電源面積有合理的預(yù)估，否則很多必須遵守的PCB布局準(zhǔn)則無(wú)法實(shí)現(xiàn)，電源的工作性能無(wú)法保障。
同時(shí)，如果系統(tǒng)有風(fēng)扇散熱，將電源放置在出風(fēng)口，有助于電源散熱，提升電源效率。為了保證風(fēng)扇散熱的有效性，需要考慮散熱路徑，保證高的無(wú)源器件（如電感、電解電容等）不會(huì)阻礙矮的有源器件（如MOS管、PWM控制器等）的散熱通道。
1.2 多層PCB的設(shè)計(jì)
在多層板設(shè)計(jì)中，建議在大電流層（如輸入電壓或者輸出電壓）和敏感的小信號(hào)層之間加一層地或者直流電壓層，做為屏蔽層。地層或者直流電壓層能夠有效的把敏感的小信號(hào)和功率回路進(jìn)行隔離，防止對(duì)小信號(hào)產(chǎn)生干擾。對(duì)于地層或者直流電壓層布局，基本原則是盡量少走線，保證整個(gè)層是一個(gè)整體，不被切割。必須要走線的話，也要保證這些線和功率層的大電流布線方向一致，減少干擾。
表格1 推薦的PCB層設(shè)計(jì)及不良設(shè)計(jì)
表格1不良設(shè)計(jì)中，小信號(hào)層被夾在地層和大電流層之間，這樣會(huì)增加小信號(hào)層和大電流層間的電容耦合，小信號(hào)容易受到干擾。
二、功率器件布局
開(kāi)關(guān)電源電路由功率回路和小信號(hào)控制回路組成。功率回路包括流經(jīng)大電流的器件，例如電感、電容、MOS管等，這部分器件需要優(yōu)先布局。小信號(hào)控制回路包括反饋電阻、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、頻率設(shè)定、過(guò)流設(shè)定等，這部分器件一般放置在電源芯片特定的位置。
2.1 功率線路線寬計(jì)算
由于功率線路流過(guò)的電流較大，如果線寬太小，會(huì)造成線路損耗增加，PCB溫度升高。
適用于電流有效值從1A到20A的線寬計(jì)算，其中W是線寬，單位為mil，I是電流，單位為A，Tcu是PCB的銅重量，單位是OZ。以5A電流，1OZ的銅重量為例，對(duì)應(yīng)的最小線寬是120mil。
以下是線寬的經(jīng)驗(yàn)公式：
2.2 大電流變化率的回路布局
所有的元器件，包括PCB走線都會(huì)存在寄生電感、寄生電容和寄生電阻。大電流變化率會(huì)在寄生電感上產(chǎn)生電壓尖峰，電壓尖峰會(huì)增加元器件的耐壓要求，同時(shí)向外傳播干擾，降低EMI測(cè)試通過(guò)的可能性。
圖1 Buck電路基本結(jié)構(gòu)
圖1給出了Buck電路的基本結(jié)構(gòu)，首先用綠線畫(huà)出上管開(kāi)通時(shí)的電流路徑，然后用紅線畫(huà)出上管關(guān)閉時(shí)的電流路徑。電路當(dāng)中只有一種顏色的部分就是大電流變化率的回路。這種方法對(duì)所有的電路拓?fù)涠歼m用。
圖2 Buck電路大電流變化率回路
如圖2所示，藍(lán)色部分為Buck電路大電流變化率回路，需要確保這個(gè)回路的地和地平面分離，單點(diǎn)連接。回路中的高頻去耦電容一般取值范圍在0.1uF到10uF，類(lèi)型為X5R或者X7R的陶瓷電容。高頻陶瓷電容的特點(diǎn)是寄生電感和寄生電阻小，能夠給大電流變化率的電流提供良好的路徑。
圖3 boost電路基本結(jié)構(gòu)
圖4 boost電路大電流變化率回路
和Buck電路類(lèi)似，對(duì)于Boost電路也可以采用一樣的方法進(jìn)行分析和布局。圖3、圖4分別出給了Boost電路的基本電路結(jié)構(gòu)，大電流變化率回路。
2.3 高電壓變化率節(jié)點(diǎn)布局
開(kāi)關(guān)電源中，開(kāi)關(guān)管MOS和續(xù)流二極管或者同步整流MOS管中間的節(jié)點(diǎn)電壓在地和高電壓之間不斷切換，電壓變化率很高，這個(gè)節(jié)點(diǎn)上的振鈴電壓是EMI噪聲的主要產(chǎn)生源。為了防止噪聲耦合到對(duì)噪聲敏感的小信號(hào)線路，需要將開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的面積盡量減小。但是這個(gè)節(jié)點(diǎn)流經(jīng)的電流很大，這里的銅有助于MOS管以及二極管的散熱，所以這個(gè)節(jié)點(diǎn)也不能太小。
圖5 SCT2360 - 12V輸入5V輸出6A負(fù)載原理圖
因此在多層板設(shè)計(jì)中，最好在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的下一層鋪一塊地平面，提供額外的隔離，防止噪聲的傳播。以SCT2360為例，電感L1和SW的距離較近，SW節(jié)點(diǎn)銅皮的面積在保證散熱的前提下盡量小，降低噪聲的傳播能力。同時(shí)，BST和SW相連的環(huán)路控制在最小。這也得益于芯洲科技在設(shè)計(jì)芯片時(shí)就考慮到該問(wèn)題，將SW和BST布局在相鄰管腳。
圖6 SCT2360布局示例
2.4 高頻濾波電容布局
高頻濾波電容是一個(gè)非常重要的器件，其主要給大電流變化率回路提供通路，并在降低電壓應(yīng)力等方面起重要作用。以SCT2360為例，電容C3放置在離芯片的VIN PIN和PGND PIN最近的地方，直接通過(guò)短而粗的線相連。
表格2 高頻濾波電容布局示例(無(wú)過(guò)孔)
表格3 高頻濾波電容布局示例(有過(guò)孔)
2.5 多個(gè)電源布局
如果系統(tǒng)中存在多個(gè)供電電源共用一個(gè)輸入源，同時(shí)這些電源相互間不是同步工作的，那么需要將這些電源的輸入供電走線分開(kāi)，防止各個(gè)電源之間的共模噪聲通過(guò)輸入及地進(jìn)行傳播，互相干擾。
表格4 多個(gè)電源布局示例
總結(jié)
80%的電源設(shè)計(jì)問(wèn)題來(lái)自于PCB布局問(wèn)題。前期在PCB布局中投入足夠的時(shí)間，能有效的降低后期電源調(diào)試時(shí)間，縮短開(kāi)發(fā)周期。SCT23xx系列產(chǎn)品，在芯片PIN腳的優(yōu)化，可幫助客戶實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的PCB布局，達(dá)到最佳的電源使用性能。
芯洲科技在電源芯片細(xì)節(jié)方面極致追求，持續(xù)推出更多優(yōu)秀的電源芯片產(chǎn)品，賦能客戶實(shí)現(xiàn)最佳解決方案。
