開關模式電源PCB設計指南

電源設計師了解開關模式電源 PCB 布局布線的復雜技術細節和功能要求。布局布線決定了對電磁干擾 (EMI) 的敏感性、熱行為、功率完整性和安全性。良好的布局布線確保了高效率的功率轉換和傳輸到負荷，同時也讓熱傳輸遠離布局布線中的熱元件，確保了電子系統周圍的噪音耦合處于低水平。安全也是開關調節器的重要因素，這可能會向輸出端提供高電流，從而造成安全風險。

布局布線選擇不佳會引發一些問題，這些問題會在高電流電平上發生，并且隨著輸出電壓與輸入電壓之間的巨大差異而更加明顯。在 PCB 布局布線不良的情況下，常見的電源問題包括：高輸出電流的調節喪失、輸出端噪音過高、開關波形以及電路不穩定。設計師結合使用直流電源完整性模擬工具、電路模擬和分析功能以及最好的布局和布線實用程序，可以確保設備的安全可靠。Altium Designer 提供電源 PCB 布局軟件及其他，以幫助防止這些問題。

電源面臨一系列挑戰，需要一整套設計和分析功能，以確保電源正常運作。這些設計也會造成安全危害，令用戶受到傷害，例如接觸高電壓、突然向用戶放電。設計師如何確保能夠設計安全、準確和可靠的電源？

開關模式電源在無元電路中使用開關電源元件，成為高電流整流交流電與高電壓之間轉換的標準。這些元件為非線性，常常使用反饋來維持調節，與典型的 LDO 調節器正好相反。在 LDO 中，通過誤差放大器的飽和來維持調節，從而產生了在 PCB 布局中視為熱的電阻損耗。

雖然從調節和效率角度看，開關調節器是首選，但由于其涉及更多元件，其中一些元件會有較大的寄生效應，如果不妥善安排，也會容易產生噪音問題。從下一個電源布局布線開始，遵循這些開關模式電源 PCB 布局布線指南，以確保設計可靠。

開始您的 SMPS PCB 布局布線

應遵循一些基本的 SMPS PCB 布局布線規則，有助于確保您的設計中噪音問題少、輻射 EMI 少，并且始終處于低溫。大體上，指南可以概括如下：

• 正確界定接地、在 PCB 布局布線中設置短路徑、在 PCB 中安排電隔離部分，以消除噪音耦合，從而降低 EMI。

• 如果布局布線中存在噪聲、需要包絡跟蹤等功能或特定噪聲源導致設計出現問題，請按需使用,適當地輸入和輸出 EMI 濾波器電路。

• 使用大量銅為重要元件提供散熱路徑。如果需要，可以考慮獨特的圍欄設計，以及在發熱元件上設計散熱器或風扇。

• 布置快速開關、高電流電路，如 MOSFET 陣列，以便在開關事件期間設計中沒有寄生振蕩。

監管機構，如保險商實驗室 (Underwriter Laboratories) 和 IEC，測試了電源的輻射電磁干擾 (EMI)、傳導 EMI、穩定性、效率和運行壽命。FCC 和 CE 條例也對開關模式電源的排放做出了限制，因為這些裝置的輻射并非有意產生。Altium Designer 提供電路分析工具，助您詳細了解設備的電氣行為，而 PCB 布局布線工具可以幫助您開發既符合上述要求又考慮到模擬電氣規格的布局布線。

小心界定接地

開關模式電源 PCB 布局布線的第一條指南是如何在布局中界定接地。在設計開關電源電路時，記住存在五個接地點。這些點可分成不同的導體，以確保電隔離。這些是：

• 輸入高電流源接地

• 輸入高電流環路接地

• 輸出高電流整流器接地

• 輸出高電流負荷接地

• 低電平控制接地

每個接地可能存在于實際獨立的導體中，這取決于轉換器、整流器或調節器電路中是否需要電隔離。如果接地是電容耦合，電源電路會接納共模噪音，例如附近的導電外殼通常會發生。PCB 的接地區域應在隔離組件的每一側明確界定，例如：

如果出于某種原因，確實需要橋接接地以消除某些直流偏移，那么 Y 級電容器是最佳選擇，因為它提供高頻過濾并消除接地區域之間的直流偏移。

每個高電流接地都是當前環路的一條支線，但其布置應該為電流提供低阻抗返回路徑。這可能需要多重通孔回到接地層，以接納低等效電感的高電流。這些點及其相對于系統接地的電位成為測量電路不同點之間傳導的直流和交流信號的點。由于需要防止高電流交流接地的噪音逸出，適當的濾波電容器的負端充當高電流接地的連接點。

界定接地區域的最佳做法是使用大平面或多邊形鋪銅。這些區域提供低阻抗路徑，使噪聲從直流輸出中消散，并能處理高回流。它們還提供了一條路徑，在需要時，可以為重要元件散熱。在兩側放置接地層，吸收輻射 EMI，降低噪音，減少接地回路誤差。接地層當作靜電屏蔽并消散渦電流中的輻射 EMI 時，也將電源層的走線和元件與信號層組件分開。Altium Designer 的 CAD 工具便于在 PCB 布局中界定接地，并放置大導體以用作 PCB 中的接地區域。特別是使用開關電源時，可以使用 PCB 兩側的接地層，并用通孔連接，以確保接地中的電位一致。

• 可以根據功能，為設計中的接地區域命名多個名稱。小心界定設計中的接地區域，確保正確將其連接在一起。了解電路板接地、數字和模擬接地的詳情。

• 接地層在電源 PCB 布局布線以外的系統中也很重要。確保您定義的連接具有低阻抗，而不影響元件。了解更多關于在 Altium Designer 中創建接地層的信息。

• 共模噪音和傳導紋波是 PCB 布局布線中的主要噪音來源，當噪音極大時，會導致設計無法通過 EMI 測試。詳細了解電源中的 EMI 以及降低 EMI 的步驟。

示意圖編輯器協助布局布線

接地是設計的重要起點，因為接地決定了 PCB 布局布線能否降噪以及路線安排。然而，這并不是電源設計的唯一考慮因素。開關操作和抑制 EMI 都置于電源中，需要在 PCB 中明確界定。

接地位置

SMPS 控制器能否精確調節輸出電壓取決于低電平控制接地的連接。處理集成電路、輸入電容器、輸出電容器和輸出二極管時，確保組件連接到接地層。接地連接與一個點相連，在這個點，控制 IC 及其相關電路測量交流電流、直流電流、輸出電壓及其他主要參數。將低電平接地與電流感應電阻器或輸出分壓器的下側連接起來，可以防止控制電路感應共模噪音

設計開關動作

SMPS 的工作方式是在截止工作狀態與飽和工作狀態之間快速切換通過單元，并向輸出負載輸送恒定功率。在截止時，整個通過單元都存在高電壓，但無電流流通。在飽和時，高電流穿過通過單元，壓降很小。由于半導體開關從直流輸入電壓中產生交流電壓，所以 SMPS 可以用變壓器升壓或降壓，然后在輸出端將電壓過濾成直流電。

脈寬調制 (PWM) 開關電源以正向模式或升壓模式運行。正向模式電源在輸出端有一個 L-C 濾波器，根據從濾波器獲得的輸出的伏特時間平均值，創建直流輸出電壓。為了控制信號的伏特時間平均值，開關電源控制器改變輸入矩形電壓的占空比。

降壓轉換器與升壓轉換器

電源開關打開時，升壓轉換器模式電源在輸入電壓源兩端直接連接一個電感器。電感器電流從零開始增加，并在關閉電源開關時達到高峰。一個輸出整流器鉗制電感輸出電壓，防止電壓超過電源輸出電壓。當電感器核心中的能量傳遞到輸出電容器時，電感器的開關終端會回落到輸入電壓的電平。

同時，降壓轉換器模式電源使用相同的元件，但在不同的拓撲結構中，將電感的反電動勢鉗制在低于輸入電壓的電平。開關動作具有與升壓轉換器相同的效果，輸出電流在與充電/放電電容器的競爭中振蕩，從而實現對輸出功率的調節。這兩種類型的調節器/轉換器拓撲結構都將開關噪音傳播到設計中的輸出端口，這可以看作是輸出端的高頻紋波。

電源路由幫助確保低噪音操作

開關電源會產生高頻噪音，直到噪音頻率達到開關頻率的大約 100 倍為止。然后，噪聲頻率以每十年 -20 至 -40dB 的速度下降。由于開關調節器在“開”和“關”電源狀態下工作，具有尖銳邊緣的大電流脈沖在開關電源電路內流動，因此會產生 EMI。“開”和“關”電源狀態之間的轉換會產生 EMI，如果電源布局中的電流回路太大，則會在系統中的其他地方引發 EMI。開關電源電路由電源開關回路和輸出整流器回路組成，這些回路需要正確布線，以防止噪音過大。

對電源進行布局布線時，要特別注意回路周圍以及走線的長度和寬度。縮小回路周長，這樣回路便不會當作低頻噪音天線。從電路效率的角度來看，更廣泛的走線也為電源開關和整流器提供額外的散熱。您可以使用主動布線引擎來實現人工布線結果，安排元件，以使開關電流回路在同一方向上傳導。隨著當前的回路在相同方向上傳導，控制電路耦合到布局布線中的特定位置。因此，磁場不能沿著位于兩個半周期之間的走線反轉并產生輻射 EMI。

• Altium Designer 的布線工具幫助您輕松布置用于高電流/高電壓的多邊形鋪銅，或用于數據和控制線的更細走線。了解有關在 Altium Designer 中電源布局布線的更多信息。

• 使用電源布局時，處理大開關電流的走線應當簡短、直接、厚實。可以運用 IPC 標準來計算推薦的跡線寬度，盡管按照經驗，最小寬度是每安培 15 密耳。了解更多關于計算走線寬度以確保高電流承載能力的信息。

• SMPS 中的 EMI 濾波器抑制了直流輸入輸出布線中傳導的高頻電流所引起的高頻噪音。您可以使用 Libraries 和 Altium Content Vault 中的集成元件定價、供應情況以及數據表鏈接，設計出效果最佳的濾波器。了解有關 PCB 布局中 EMI 濾波電路的更多信息。

SMPS 交流電壓節點的 PCB 布局布線提示

根據 SMPS 配置，交流電壓節點存在于功率 MOSFET 的漏極或 BJT 的集電極以及輸出整流器的陽極。這些節點都可以有高交流電壓。例如，MOSFET 漏極的峰值交流電壓可以達到輸入電壓的一到兩倍。由于漏極通過絕緣體栓在散熱器上，接地的散熱器為電容耦合噪音提供了路徑。您可以使用 Altium Designer 中的 PCB 布局布線工具，將易感信號放在同一側，而不是在噪音交流節點下。此外，您可以對節點下方的接地層劃出交叉影線，以消除噪音。

表面貼裝環境的電容值較小，但可以將噪聲耦合到敏感信號中。由于這些因素，您的布局還需要解決交流節點電壓可能會電容耦合到散熱器或相鄰接地層的問題。在布置表面貼裝 PCB 設計時，節點要足夠大，以用作電源開關或整流器的散熱器。一些多層設計使交流節點下方的所有層與交流節點相同，并使用鍍通孔連接這些層，以增加設計的熱質量。

Altium Designer 提供全套設計布局工具集

Altium Designer 中的整套 PCB 設計布局布線功能提供了全套工具，助您開發可靠安全的電源系統。您還可以創建和仿真重要的電源電路拓撲結構和 EMI 濾波器，它們可用于各種應用，從大功率直流系統到高頻交流系統等等。Altium Designer 的 PDN 分析器插件為電路的直流電流和電壓分析提供了最佳資源。設計開關模式電源的 PCB 布局似乎令人生畏，但 Altium Designer 提供多種工具，將復雜的電源分解成簡單易懂的任務。

• Altium Designer 提供一切工具，助您把想法變成現實。您可以在 Altium Designer 中創建各種設計，從簡單的 MOSFET 電路到高級 RF 電源設計等等。

• 用戶使用 Altium Designer 的 PDN 分析器擴展，可以用行業標準直流電源完整性模擬，分析電源輸出。

• 所有 Altium Designer 用戶都可以在 Altium 365 平臺上共享自己的電源設計。設計小組使用 Altium 365 來保持效率，并在安全云環境中共享設計數據。

一貫以來，Altium 的目標就是在統一設計界面中提供精簡設計體驗。Altium Designer 中的原理圖編輯器、PCB 編輯器、SPICE 模擬包、布線功能和模擬工具滿足您的一切需求，助您開發安全、可靠、無噪音的電源。若需要整套組件創建和管理工具，請使用Altium Designer開始創建并模擬您的設計。