在設計開關模式電源時，優(yōu)化電路板布局是一個重要的方向。合理布局可以確保開關穩(wěn)壓器保持穩(wěn)定工作，并盡可能降低輻射干擾和傳導干擾(EMI)。這一點電子開發(fā)人員都很清楚。但是，大家并不知道，開關模式電源的優(yōu)化電路板布局應該是什么樣子的。
圖1.ADI LT8640S開關穩(wěn)壓器的電路板，元件布局緊密，所以電路板布局非常緊湊。
圖1所示為ADI LT8640S評估板電路。這是一個降壓開關穩(wěn)壓器，支持高達42V的輸入電壓，可提供高達6A的輸出電流。所有元件都緊密排列在一起。一般建議將元件盡可能緊密地排列在電路板上。這種說法并無錯處，但是，如果目標是獲得優(yōu)化電路板布局，可能就未必合適。比如在圖1中，開關穩(wěn)壓器IC周圍有數個(11個)無源元件。
在部署這些無源元件時，哪些元件應該優(yōu)先部署?為什么呢?
在開關穩(wěn)壓器PCB設計中，最重要的原則是：傳輸高開關電流的走線越短越好。如果能夠成功實踐這一原則，開關穩(wěn)壓器電路板的很大部分都能合理布局。
圖2.降壓型開關穩(wěn)壓器的原理圖，其中電流快速變化的路徑以紅色顯示。
如何在電路板布局中輕松實現這條黃金法則呢?第一步，找出開關穩(wěn)壓器拓撲中的關鍵路徑。在這些關鍵路徑中，電流會隨開關切換而變化。圖2顯示降壓型轉換器(降壓拓撲)的典型電路。關鍵路徑以紅色顯示。這些連接線路可能傳輸滿電流，也可能不傳輸電流，具體取決于電源開關的狀態(tài)。這些路徑越短越好。在降壓型轉換器中，輸入電容應盡可能靠近開關穩(wěn)壓器IC的VIN引腳和GND引腳。
圖3.升壓型開關穩(wěn)壓器的原理圖，其中電流快速變化的路徑以紅色顯示。
圖3顯示升壓拓撲電路的基本原理圖。該電路將低壓轉換為更高電壓。同樣，電流會隨電源開關切換而變化的電流路徑以紅色顯示。需要注意一點，輸入電容的布局位置根本不重要。輸出電容的布局位置才更為關鍵。它必須盡可能靠近反激二極管(或高側開關)以及低側開關的接地連接。
然后，可以檢測其他任意開關穩(wěn)壓器拓撲，以了解在切換電源開關時，電流如何變化。傳統方法一般是打印出電路，然后用三種不同顏色的彩筆畫出電流路徑。用第一種顏色標出導通期間的電流路徑，也就是，電源開關開啟時的電流路徑。用第二種顏色標出關斷期間的電流路徑，也就是，電源開關關閉時的電流路徑。最后，用第三種顏色標出前面僅以第一種顏色和僅以第二種顏色標記過的所有電流路徑。通過這種方式，就可以清晰地看出電流會隨電源開關切換而變化的關鍵路徑。
對于經驗不足的電路設計人員而言，開關穩(wěn)壓器的電路板布局就像是一種黑魔法。ADI認為，其核心法則就是在設計電流會隨開關切換變化的走線路徑時，應盡可能短，盡可能緊湊。這解釋起來很簡單，很符合邏輯關系，也是開關模式電源設計中實現優(yōu)化電路板布局的基礎。
關于作者
Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業(yè)并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，積累了豐富的經驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關模式電源產品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產品線和歐洲技術支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。
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