开关电源供应器的最佳布线方式？

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goodfriend 发表于 2006/1/28 10:03:52 2219 查看 2 回复 [上一主题] [下一主题]

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设计高频开关稳压电源供应器时，线路布局是相当重要的一环。好的线路布局可以解决许多电源供应器的问题；设计不够周到的线路布局会产生各式各样的问题。这种问题尤其容易在高电流操作的环境下产生，而当输入/输出电压之间出现较大差异时，这些问题会变得更明显。经常出现的问题包括：高输出电流及/或较大的输入/输出电压差操作时出现电压不稳现象、输出及开关波形出现过多噪音以及操作不稳定等现象。以下将针对布线提供几个简单的建议，以便将这些问题出现的可能性减到最低。

电感器

尽量采用内含闭环式铁氧磁芯的低电磁干扰电感器，例如环形线圈及 E 磁芯电感器。当这些电感器只产生极微量的电磁干扰，而且置于离低功率线迹(trace) 及元件较远的位置时，则可改用开放式磁芯。采用开放式磁芯时，南北磁极最好与印刷电路板垂直。长条型磁芯通常会产生令人烦厌的噪音。

反馈电路

布线时要让反馈线迹尽量远离电感器以及会产生大量噪音的供电线迹。应尽量为反馈线迹选择直接的路线，而且线迹直径应尽量加大。若二者不可兼得，便要作出某一程度的取舍，但无论如何线迹应尽量远离电感器及其他噪音源，以免受到电磁或噪音干扰，线迹厚度的重要性反而较为次要。反馈线迹最好设于印刷电路板没有装设电感器的一面，并以地线层将两者分开。

滤波电容器

采用低电容陶瓷输出滤波电容器时，应尽量将电容器置于最接近电源供应芯片输入电压 (VIN) 管脚的位置。这样可以尽量抑制来自线迹的电感效应，为电源供应芯片的内部干线提供较少噪音干扰的电源供应。基于稳定性的理由，部分系统设计有时需要采用将输出端与反馈管脚连接一起的前馈电容器。即使在这个情况下，前馈电容器也应尽量置于最接近电源供应芯片的位置。采用表面贴装的电容器有助缩短引线的长度，以及减少通孔安装元件通过天线效应所产生的噪音耦合。

补偿电路

若为确保系统稳定性而需要采用外部补偿元件，则必须将这些元件置于电源供应芯片附近。外部补偿电路也应采用表面贴装元件，理由与滤波电容器一节所讨论的相同。这些表面贴装元件也不应太过接近电感器。
线迹及地线层 (GND)

必须尽量缩短及加大所有传送高电流的供电线迹，并且尽量为其选择直接的路线。线迹必须符合最低的大小标准，以标准印刷电路板来说，其线迹的每安培(Ampere)大小绝对不能低于15mils(0.381mm)。电感器、输出电容器以及输出二极管应尽量彼此靠近，这样既可减低供电线迹传送高开关电流时所产生的电磁干扰，又可减低引线电感及电阻，从而减少噪音尖峰、振铃振荡以及会引致电压出现误差的电阻损耗。电源供应芯片、输入电容器及输出电容器以及输出二极管 (若适用) 等的接地全部应互相靠紧，并直接连接地线层。印刷电路板最好两面都设有地线层，以减低接地环路出现错误，也可接收较多电感器产生的电磁干扰，可以进一步减低噪音。对于两层以上的多层式电路板来说，地线层的设置可以将装设了供电线迹及元件的供电层与装设了反馈电路、补偿电路及元件的信号层分开，以便提高性能。多层式电路板必须设有通孔，以连接线迹及不同板面层。若连接不同板面层的线迹要承受较大的电流量，最好为每200mA的电流分配一个标准通孔。

电路板上的元件应该小心布置，确保所有开关电流环路在转向时都弯向同一方向。开关稳压器进行开关操作时，会轮流处于两种不同的电源状态，即开启状态与关闭状态。无论处于哪一状态，总会有电源管理元件正在通电，形成电流环路，因此最好将电源管理元件放在恰当的位置，确保无论在开启还是关闭状态，电流环路的电流都以同一方向流过环路，以免线迹在两个半周期之间产生磁场逆转，这样有助减低电磁干扰。

散热功能

若采用表面贴装电源管理集成电路或外置式电源开关，印刷电路板可以协助芯片散热。其办法非简单，只要将印刷电路板的铜垫用作导热体，便可协助散发芯片的热能。若要利用印刷电路板为某一芯片散热，可先参阅该芯片的产品资料介绍。这样可以无需装设外置式散热器。

以上的建议适用于任何电感式开关电源供应器，其中包括降压、升压、回扫、反相降压/升压以及SEPIC等电源供应器。这些建议也适用于可与开关稳压器或开关电容转换器搭配一起使用、而本身则内含反馈控制电路的线性稳压器。本文之后附录多幅线路布局图，图 1 显示升压开关稳压器的电路图，这个设计可作为部分线路布局的范例。图 2 的线路布局违反以上建议的运作原理，可视为反面教材。图 3 及图 4 的线路图采纳了上述大部分建议，是可取的线路布局。

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