如何快速创建开关电源的PCB版图设计？

如今的开关稳压器和电源越来越紧凑，性能也日益强大，而越来越高的开关频率是设计人员面临的主要问题之一，正是它使得PCB设计越来越困难。事实上，PCB版图已经成为区分好与差的开关电源设计的分水岭。本文针对如何一次性创建优秀PCB版图提出一些建议。

考虑一个将24V降为3.3V的3A开关稳压器。设计这样一个10W稳压器初看起来不会太困难，设计人员可能很快就可以进入实现阶段。不过，让我们看看在采用Webench等设计软件后，实际会遇到哪些问题。如果我们输入上述要求，Webench会从若干IC中选出“Simpler Switcher”系列中的LM25576(一款包括3A FET的42V输入器件)。该芯片采用带散热垫的TSSOP-20封装。

Webench菜单中包括了对体积或效率的设计优化。设计需要大容量的电感和电容，从而需要占用较大的PCB空间。

值得注意的是，最高效率是84%，且此最高效率是当输入-输出间的压差很低时实现的。此例中，输入/输出比大于7。一般情况下，可以用两级电路来降低级与级之间的比率，但通过两个稳压器实现的效率不会更好。

接着，我们选PCB面积最小的最高开关频率。高开关频率最可能在版图方面产生问题。Webench可以生成带全部有源和无源器件的电路图。

简化电路图对了解基本情况帮助甚大。看一看电流通路：把FET在导通状态下的回路标记为红色；把FET在截至状态下的回路标记为绿色。我们可以观察到两种不同情况：有两种颜色的区域和仅一种颜色的区域。我们必须特别关注后一种情况，因此时电流在零和满量程之间交替变化。这些是具有高di/dt的区域。

高di/dt的交变电流将在PCB导线周围产生显著的磁场，该磁场将成为该电路内其它器件甚至同一或邻近PCB上其它电路的主要干扰源。假定这不是交变电流，那么公共电流通路并不是太重要，di/dt的影响也小得多。另一方面，随着时间变化，这些区域将承载更大负载。本例中，从二极管阴极到输出以及从输出地到二极管阳极就是公共通路。当输出电容器充放电时，该电容会产生很高的di/dt。连接输出电容的所有线段必须满足两个条件：因为电流大，因此它们的宽度要宽；为了最小化di/dt的影响，它们又必须尽量短。

PCB版图设计要点

实际上，设计人员不应采用把导线从Vout和地引至电容的方法实现所谓的传统版图。这些导线将承载很大的交变电流，因此将输出和地直接连至电容端子是个更好的方法。这样交替变化的电流仅表现在电容上。连接电容的其它导线现在承载的几乎是恒定电流，因而与di/dt相关的任何问题得到了很好的解决。地是另一个经常被误解的难题。简单地在“第2层”放置一个地平面，并将全部地线连接到这一层不会有很好的效果。

让我们看看为什么。我们的设计例子有高达3A的电流必须从地流回源(一个24V汽车电池或一个24V电源)。在二极管、COUT、CIN和负载的地连接处会有较大电流，而开关稳压器的地连接流经的电流小。同样情况也适用于电阻分压器的参考地。若上述全部地引脚都连至一个地平面，将出现地线反d现象。虽然很小，但电路中的敏感点(如借以获得反馈电压的电阻分压器)将不会有稳定的参考地。这样，整个稳压精度将受到极大影响。实际上，隐藏在第二层地平面中的源还会产生“振铃”现象，而且非常难以定位。

此外，大电流连接必定用到连接地平面的过孔，而过孔是另一个干扰和噪声源。把CIN地连接作为电路输入和输出侧所有大电流地导线的星型节点是个较好的解决方案。这个星型节点连接地平面和两个小电流地连接(IC和分压器)。

现在地平面会很洁净：没有大电流、没有地线反d。所有大电流地是以星型连接到CIN地。所有设计人员必须要做的事是使(全部在PCB顶层的)地导线尽可能短而粗。

需要检查的节点是那些高阻抗节点，因为它们很容易被干扰。最关键节点是IC的反馈管脚，其信号取自电阻分压器。FB管脚是放大器(如LM25576)或比较器(如采用磁滞稳压器的场合)的输入。在两种情况FB点的阻抗都相当高。因此，电阻分压器应放置在FB管脚的右侧，从电阻分压器中间连一条短导线到FB。从输出到电阻分压器的导线是低阻抗的，可用较长导线连至电阻分压器。这里要紧的是布线方法而非导线长度。而其它节点就并非如此关键了。所以不必担心开关节点、二极管、COUT、开关稳压器IC的VIN 管脚或者CIN。

首先不管是布局还是布线优先参考芯片datasheet，一般手册中都会给出layout guide指导。

有了设计指导参考以后，貌似layout 工程师剩下就是看图设计？但是，当单板空间有限时，又该怎么去权衡我们的设计？在平常设计开关电源时还是有一些设计经验可循的（特殊非常规类开关电源设计，一定要按datasheet设计）。

第一步：确定开关电源模块在PCB板上的位置，开关是一个强烈的EMI辐射源，应远离时钟、接口等敏感器件摆放，然后尽量的靠近我们的用电端，同时考虑散热和装配性等因素。

第二步：确定原理框图中主电源通道，地的区别（电源地 、信号地、其他信号地）；

第三步：确定原理框图中各个部分的核心器件：输入滤波、开关管、控制电路、输出滤波器件的摆放:

1.开关管：布局紧凑，布局考虑大电流通道，输入输出的地能够直接相连。

2. 输入滤波：紧靠开关管，确保能做到大电流先滤波再进入开关管。

3. 输出滤波：紧靠开关管，确保大电流先滤波再进入单板平面。

4. 输入输出回路：MOS管回路，续流管回路要尽量小。

5. 控制电路。

开关电源布局部分，详细可阅读：开关电源设计 -PCB布局注意事项

下面来谈下开关电源布线：

对于layout 工程师来说电源模块布局完成时，布线也就基本已经规划好，布局做好，布线自然水到渠成。

如下图1所示原理图：

图1

从原理图中我们可以看到：

a：主电流通道(红色）

b：地的区别（电源地 、信号地、其他信号地）

c：反馈通道（蓝色） 

d：续流回路。

对于上述开关电源的布线的处理时，我们还是有以下事项需要注意：

开关管部分:  尽量粗短，一般用铺铜实现，考虑大电流通道。

输入输出滤波：注意到电源平面的过孔数目和位置，在滤波电容之后。

输入输出的地：用大铜皮连接到一起，多打地孔到平面（开关管特殊要求除外）。

控制电路的地：模拟地，与大电流地分开，单点接地。

控制电路的采样：模拟信号，采样点在输出滤波之后，如果有电流采样和电压采样，布成差分线的紧耦合形式，采样线尽量短，减小受干扰的空间。

控制电路的调制输出：模拟信号，不要在开关管下走长线，远离大电流的电源和地等区域。

开关电源布线部分，详细可阅读：开关电源PCB布线注意事项

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