电源PCB布局注意事项总结

CHANBAEK 2023-06-27 4696

描述

电源作为系统应用中给其他功能供电的模块，有着十分重要的地位。在电源设计中，好的PCB设计能够优化电源效率，缓解散热压力以及降低噪声，保证电源的输出准确而稳定。目前工业、车载、通信、消费类等各类产品应用都提出了小型化、智能化的需求，相应这些系统对电源方案提出了小型化的要求。本文针对板上电源的PCB布局进行总结，形成了可供参考的电源PCB布局注意事项。

一PCB布局基础原则

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1.1 电源的位置选择

首先对于板上电源，需要在系统布局初期就考虑其位置。一个重要的原则是电源需要放置在负载的附近，防止PCB走线过长，造成负载端的实际电压与电源设定的输出电压压差过大，影响供电精度，动态负载响应变慢，电源效率降低。除了位置，还需要对电源面积有合理的预估，否则很多必须遵守的PCB布局准则无法实现，电源的工作性能无法保障。

同时，如果系统有风扇散热，将电源放置在出风口，有助于电源散热，提升电源效率。为了保证风扇散热的有效性，需要考虑散热路径，保证高的无源器件（如电感、电解电容等）不会阻碍矮的有源器件（如MOS管、PWM控制器等）的散热通道。

1.2 多层PCB的设计

在多层板设计中，建议在大电流层(如输入电压或者输出电压)和敏感的小信号层之间加一层地或者直流电压层，做为屏蔽层。地层或者直流电压层能够有效的把敏感的小信号和功率回路进行隔离，防止对小信号产生干扰。对于地层或者直流电压层布局，基本原则是尽量少走线，保证整个层是一个整体，不被切割。必须要走线的话，也要保证这些线和功率层的大电流布线方向一致，减少干扰。

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表格1 推荐的PCB层设计及不良设计

表格1不良设计中，小信号层被夹在地层和大电流层之间，这样会增加小信号层和大电流层间的电容耦合，小信号容易受到干扰。

二功率器件布局

开关电源电路由功率回路和小信号控制回路组成。功率回路包括流经大电流的器件，例如电感、电容、MOS管等，这部分器件需要优先布局。小信号控制回路包括反馈电阻、补偿网络、频率设定、过流设定等，这部分器件一般放置在电源芯片特定的位置。

2.1 功率线路线宽计算

由于功率线路流过的电流较大，如果线宽太小，会造成线路损耗增加，PCB温度升高。

适用于电流有效值从1A到20A的线宽计算，其中W是线宽，单位为mil，I是电流，单位为A，Tcu是PCB的铜重量，单位是OZ。以5A电流，1OZ的铜重量为例，对应的最小线宽是120mil。

以下是线宽的经验公式：

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2.2 大电流变化率的回路布局

所有的元器件，包括PCB走线都会存在寄生电感、寄生电容和寄生电阻。大电流变化率会在寄生电感上产生电压尖峰，电压尖峰会增加元器件的耐压要求，同时向外传播干扰，降低EMI测试通过的可能性。

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图1 Buck电路基本结构

图1给出了Buck电路的基本结构，首先用绿线画出上管开通时的电流路径，然后用红线画出上管关闭时的电流路径。电路当中只有一种颜色的部分就是大电流变化率的回路。这种方法对所有的电路拓扑都适用。

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图2 Buck电路大电流变化率回路

如图2所示，蓝色部分为Buck电路大电流变化率回路，需要确保这个回路的地和地平面分离，单点连接。回路中的高频去耦电容一般取值范围在0.1uF到10uF，类型为X5R或者X7R的陶瓷电容。高频陶瓷电容的特点是寄生电感和寄生电阻小，能够给大电流变化率的电流提供良好的路径。

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图3 boost电路基本结构

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图4 boost电路大电流变化率回路

和Buck电路类似，对于Boost电路也可以采用一样的方法进行分析和布局。图3、图4分别出给了Boost电路的基本电路结构，大电流变化率回路。

2.3 高电压变化率节点布局

开关电源中，开关管MOS和续流二极管或者同步整流MOS管中间的节点电压在地和高电压之间不断切换，电压变化率很高，这个节点上的振铃电压是EMI噪声的主要产生源。为了防止噪声耦合到对噪声敏感的小信号线路，需要将开关节点的面积尽量减小。但是这个节点流经的电流很大，这里的铜有助于MOS管以及二极管的散热，所以这个节点也不能太小。

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图5 SCT2360 - 12V输入5V输出6A负载原理图

因此在多层板设计中，最好在开关节点的下一层铺一块地平面，提供额外的隔离，防止噪声的传播。以SCT2360为例，电感L1和SW的距离较近，SW节点铜皮的面积在保证散热的前提下尽量小，降低噪声的传播能力。同时， BST和SW相连的环路控制在最小。这也得益于芯洲科技在设计芯片时就考虑到该问题，将SW和BST布局在相邻管脚。

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