开关电源板布局的黄金法则

作者：ADI 电力管理专家 Frederik Dostal

本文解释了实现优化电路板布局的基础，这是开关电源设计中的一个关键方面。良好的布局可确保开关稳压器的稳定运行，并将辐射干扰和传导电磁干扰（EMI）降至最低。这是电子开发人员所熟知的。然而，通常不知道的是开关模式电源板的布局优化应该是什么样子。

图1. LT8640S 1 开关稳压器的电路板，具有紧密间隔的部件，因此具有紧凑的电路板布局。

图1显示了基于 LT8640S 1 的评估板 DC2530A 1 的电路。它是一种降压（降压）开关稳压器，可承受高达42 V的输入电压，设计用于高达6A的输出电流。所有组件都非常紧凑。一般建议将各部件尽可能紧密地放置在PCB板上。虽然这一说法并非错误，但如果目标是获得优化的电路板布局，它也不是特别合适。

在图1中，开关稳压器IC周围有许多（11）无源组件。这些无源组件中的哪一个在放置中优先于其他组件，为什么？

在开关稳压器PCB设计中，最重要的规则是将承载高开关电流路径，尽可能在布线时缩短。如果成功实施该规则，开关稳压器的大部分电路板布局将得到适当解决。

图2.降压开关稳压器和快速变化电流路径的示意图，以红色显示。

在电路板布局中实现这条黄金法则的最简单方法是什么？

第一步是找出开关稳压器拓扑中的哪些是关键路径。在这些路径中，电流随开关转换而变化。

图2显示了降压转换器（降压拓扑）的典型电路。关键路径以红色显示。它们是全电流或无电流流动的连接线，取决于电源开关的状态。这些路径应尽可能短。对于降压稳压器，输入电容应尽可能靠近开关稳压器IC的VIN引脚和GND引脚。

图3.升压开关稳压器和快速变化电流路径的示意图，以红色显示。

图3显示了具有升压拓扑的电路的基本原理图。这里，低电压被转换为高电压。同样，电流随功率开关切换而变化的电流路径以红色显示。有趣的是，输入电容的位置根本不是关键。最关键的是输出电容的位置。它必须尽可能靠近反激（Flyback）二极管（或高压侧开关）以及低压侧开关的接地连接。之后，可以检查任何其他开关稳压器拓扑，以产生关于当功率开关被切换时电流如何变化的信息。

经典的方法是用三种不同颜色的笔打印出电路并绘制电流。一种颜色用于指示通电期间的电流——即电源开关导通电流时。第二种颜色显示关闭时间（即电源开关关闭时）内的电流。最后，第三种颜色用于仅以第一种颜色或仅以第二种色彩标记的所有路径。然后可以清楚地识别关键路径，其中电流随着功率开关的切换而变化。

没有经验的电路设计者通常认为开关稳压器的电路板布局是一种黑魔法。最重要的规则是将电流随开关转换而变化的轨迹设计得尽可能短和紧凑。这很容易解释，遵循逻辑关系，是开关模式电源设计中优化板布局的基础。

关于作者

Frederik Dostal是电力管理专家，在该行业拥有20多年的经验。在德国Erlangen大学学习微电子之后，他于2001年加入国家半导体公司，担任现场应用工程师，在客户项目中实施电源管理解决方案方面获得了大量经验。在国家工作期间，他还作为应用工程师在亚利桑那州凤凰城（美国）工作了四年，致力于开关电源。2009年，他加入了Analog Devices，从那时起，他在产品线和欧洲技术支持部门担任了多个职位，目前作为电源管理专家，他拥有广泛的设计和应用知识。Frederik在德国慕尼黑的ADI办公室工作。