優(yōu)化電源模塊性能的PCB布局技術(shù)

全球出現(xiàn)的能源短缺問(wèn)題使各國(guó)政府都開(kāi)始大力推行節(jié)能新政。電子產(chǎn)品的能耗標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)于電源設(shè)計(jì)工程師，如何設(shè)計(jì)更高效率、更高性能的電源是一個(gè)永恒的挑戰(zhàn)。本文從電源PCB的布局出發(fā)，介紹了優(yōu)化SIMPLE SWITCHER電源模塊性能的最佳PCB布局方法、實(shí)例及技術(shù)。

在規(guī)劃電源布局時(shí)，首先要考慮的是兩個(gè)開(kāi)關(guān)電流環(huán)路的物理環(huán)路區(qū)域。雖然在電源模塊中這些環(huán)路區(qū)域基本看不見(jiàn)，但是了解這兩個(gè)環(huán)路各自的電流路徑仍很重要，因?yàn)樗鼈儠?huì)延至模塊以外。在圖1所示的環(huán)路1中，電流自導(dǎo)通的輸入旁路電容器(Cin1)，在高端MOSFET的持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)經(jīng)該MOSFET，到達(dá)內(nèi)部電感器和輸出旁路電容器(CO1)，最后返回輸入旁路電容器。

圖1 電源模塊中環(huán)路示意圖

環(huán)路2是在內(nèi)部高端MOSFET的關(guān)斷時(shí)間以及低端MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)形成的。內(nèi)部電感器中存儲(chǔ)的能量流經(jīng)輸出旁路電容器和低端MOSFET，最后返回GND（如圖1所示）。兩個(gè)環(huán)路互不重疊的區(qū)域（包括環(huán)路間的邊界），即為高di/dt電流區(qū)域。在向轉(zhuǎn)換器提供高頻電流以及使高頻電流返回其源路徑的過(guò)程中，輸入旁路電容器(Cin1)起著關(guān)鍵作用。

輸出旁路電容器(Co1)雖然不會(huì)帶來(lái)較大交流電流，但卻會(huì)充當(dāng)開(kāi)關(guān)噪聲的高頻濾波器。鑒于上述原因，在模塊上輸入和輸出電容器應(yīng)該盡量靠近各自的VIN和VOUT引腳放置。如圖2所示，若使旁路電容器與其各自的VIN和VOUT引腳之間的走線盡量縮短并擴(kuò)寬，即可將這些連接產(chǎn)生的電感降至最低。

圖2 SIMPLE SWITCHER環(huán)路

將PCB布局中的電感降至最低，有以下兩大好處。第一,通過(guò)促進(jìn)能量在Cin1與CO1之間的傳輸來(lái)提高元件性能。這將確保模塊具有良好的高頻旁路，將高di/dt電流產(chǎn)生的電感式電壓峰值降至最低。同時(shí)還能將器件噪聲和電壓應(yīng)力降至最低，確保其正常操作。第二，最大化降低EMI。

連接更少寄生電感的電容器，就會(huì)表現(xiàn)出對(duì)高頻率的低阻抗特性，從而減少傳導(dǎo)輻射。建議使用陶瓷電容器（X7R或X5R）或其他低ESR型電容器。只有將額外的電容放在靠近GND和VIN端時(shí)，添加的更多的輸入電容才能發(fā)揮作用。SIMPLE SWITCHER電源模塊經(jīng)過(guò)獨(dú)特設(shè)計(jì)，本身即具有低輻射和傳導(dǎo)EMI，而遵循本文介紹的PCB布局指導(dǎo)方針，將獲得更高性能。

回路電流的路徑規(guī)劃常被忽視，但它對(duì)于優(yōu)化電源設(shè)計(jì)卻起著關(guān)鍵作用。此外，應(yīng)該盡量縮短且擴(kuò)寬與Cin1和CO1之間的接地走線，并直接連接裸焊盤，這對(duì)于具有較大交流電流的輸入電容(Cin1)接地連接尤為重要。