如何依靠PCB的布局布线来避免开关电源的噪声问题.doc
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1、如何依靠PCB的布局布线来避免开关电源的噪声问题“噪声问题!”这是每位电路板设计师都会听到的四个字。为了解决噪声问题,往往要花费数小时的时间进行实验室测试,以便揪出元凶,但最终却发现,噪声是由开关电源的布局不当而引起的。解决此类问题可能需要设计新的布局,导致产品延期和开发成本增加。本文将提供有关印刷电路板(PCB)布局布线的指南,以帮助设计师避免此类噪声问题。作为例子的开关调节器布局采用双通道同步开关控制器 ADP1850,第一步是确定调节器的电流路径。然后,电流路径决定了器件在该低噪声布局布线设计中的位置。PCB布局布线指南第一步:确定电流路径在开关转换器设计中,高电流路径和低电流路径彼此非
2、常靠近。交流(AC)路径携带有尖峰和噪声,高直流(DC)路径会产生相当大的压降,低电流路径往往对噪声很敏感。适当PCB布局布线的关键在于确定关键路径,然后安排器件,并提供足够的铜面积以免高电流破坏低电流。性能不佳的表现是接地反弹和噪声注入IC及系统的其余部分。图1所示为一个同步降压调节器设计,它包括一个开关控制器和以下外部电源器件:高端开关、低端开关、电感、输入电容、输出电容和旁路电容。图1中的箭头表示高开关电流流向。必须小心放置这些电源器件,避免产生不良的寄生电容和电感,导致过大噪声、过冲、响铃振荡和接地反弹。图1. 典型开关调节器(显示交流和直流电流路径)诸如DH、DL、BST和SW之类的
3、开关电流路径离开控制器后需妥善安排,避免产生过大寄生电感。这些线路承载的高I/t交流开关脉冲电流可能达到3 A以上并持续数纳秒。高电流环路必须很小,以尽可能降低输出响铃振荡,并且避免拾取额外的噪声。低值、低幅度信号路径,如补偿和反馈器件等,对噪声很敏感。应让这些路径远离开关节点和电源器件,以免注入干扰噪声。第二步:布局物理规划PCB物理规划(floor plan)非常重要,必须使电流环路面积最小,并且合理安排电源器件,使得电流顺畅流动,避免尖角和窄小的路径。这将有助于减小寄生电容和电感,从而消除接地反弹。图2所示为采用开关控制器ADP1850的双路输出降压转换器的PCB布局。请注意,电源器件的
4、布局将电流环路面积和寄生电感降至最小。虚线表示高电流路径。同步和异步控制器均可以使用这一物理规划技术。在异步控制器设计中,肖特基二极管取代低端开关。图2. 采用ADP1850控制器的双路输出降压转换器的PCB布局第三步:电源器件MOSFET和电容(输入、旁路和输出)顶部和底部电源开关处的电流波形是一个具有非常高I/t的脉冲。因此,连接各开关的路径应尽可能短,以尽量降低控制器拾取的噪声和电感环路传输的噪声。在PCB一侧上使用一对DPAK或SO-8封装的FET时,最好沿相反方向旋转这两个FET,使得开关节点位于该对FET的一侧,并利用合适的陶瓷旁路电容将高端漏电流旁路到低端源。务必将旁路电容尽可能
5、靠近MOSFET放置(参见图2),以尽量减小穿过FET和电容的环路周围的电感。输入旁路电容和输入大电容的放置对于控制接地反弹至关重要。输出滤波器电容的负端连接应尽可能靠近低端 MOSFET的源,这有助于减小引起接地反弹的环路电感。图2中的Cb1和Cb2是陶瓷旁路电容,这些电容的推荐值范围是1 F至22 F。对于高电流应用,应额外并联一个较大值的滤波器电容,如图2的CIN所示。散热考虑和接地层在重载条件下,功率MOSFET、电感和大电容的等效串联电阻(ESR)会产生大量的热。为了有效散热,图2的示例在这些电源器件下面放置了大面积的铜。多层PCB的散热效果好于2层PCB。为了提高散热和导电性能,应
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