聊聊：电源PCB布局注意事项总结

苦的咖啡

1介绍









随着时代的发展，工业，车载，通信，消费类等产品都提出了小型化，智能化的需求。相应的，对于这些中的电源模块提出了小型化的要求。通常，我们对于电源的期望是首次上电工作正常，同时不存在温升过高和噪音的问题。然而事情况是经常会出现电源不稳定，存在异音。引发异常的原因有很多，比如原理图设计有误，补偿参数设计不合理，输出电容选择偏小，电感饱和电流偏小等等。在众多原因中，PCB布局不合理是常见的原因，特别是在对电源提出小型化的要求背景下。本文针对电源PCB的布局，总结了整个流程中的注意事项，供电源工程师参考。
















2PCB设计注意事项









好的PCB设计能够化电源的效率，缓解散热压力以及降低噪声。为了达成这样的目的，我们需要清楚PCB的组成，电源中的关键回路和节点，噪声的产生和传播原理等等。
















21电源的位置选择[1]









首先对于板上电源，作为整个板上的一部分，需要在进行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，这样做的原因是防止PCB走线过长，造成负载端的际电压与电源设定的输出电压压差过大，影响供电的精度，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，如果没有进行合理预估，比较后留给电源的面积小于需要的面积，会导致很多必须遵守的PCB布局准则法现，电源的工作性能法保障。






同时，如果有风扇散热，降电源放置在离风扇附近，有助于散热，降低电源的散热压力，提升电源效率。为了保证风扇散热的有效性，需要保证高的源器件例如电感，电解电容等不会阻挡住矮的有源器件例如MOS管（M-O-SF-ET），PWM控制器（PWMC）等被风扇吹到。

















22多层PCB的设计















图6B电路大电流变化率回路布局示例
















233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包含很多高频噪声，是EMI噪声的主要产生源。为了防止这个节点的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，这部分的铜也有助于MOS管以及二极管的散热，所以这个节点也不能太小，否则有热的问题。因此在多层板设计中，比较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。一般的B或者B芯片会有一个BST管脚，与开关节点通过一个电阻电容相连，给上MOS管驱动提供电压的。这个环路也是高电压变化率的，所以也需要保证环路面积尽量小。以SCT2360为例，如图8所示，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。BST和SW相连的环路控制在比较小，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。

























图7SCT236012V输入5V输出6A负载原理图


















图8SCT2360布局示例









234高频滤波电容布局









高频滤波电容是一个非常重要的器件，这里单独拿出来说明其布局注意事项，其中的原则对其余器件也是适用的，但是由于高频滤波电容在给大电流变化率回路提供通路，降低电压应力等方面有着重要作用，所以以此为例。以SCT2360为例，如图8所示，电容C3放置在离VIN比较近的地方，直接通过短而粗的线相连。









表格2高频滤波电容布局示例（过孔）











表格3高频滤波电容布局示例（有过孔）

















235多个电源布局









如果中存在多个供电电源共用一个输入源，同时这些电源相互间不是同步工作的，那么需要将这些电源的输入供电走线分开，防止各个电源之间的共模噪声通过输入及地进行传播，互相干扰。
















表格4多个电源布局示例





24控制电路布局









241控制电路的位置









控制电路需要远离噪声源，即大电流变化率回路和大电压变化率节点。对于B电路，控制电路推荐放在靠近输出电压侧，对于B电路，控制电路推荐放在靠近输入电压侧，这是因为这两个区域的电流是连续的，电压是稳定的。如果面积足够，确保控制芯片远离MOS管和电感05~1。法满足该条件时，需要在控制电路和功率器件之间加上足够的地平面或者地线进行隔离。












242模拟地和功率地连[2]









控制回路需要有一个单独的模拟地以和功率回路的功率地相区别。模拟地和功率地的连接只需要单点连接，同时保证和模拟地相连的功率地部分是相对干净稳定的地。如果控制芯片存在模拟地和功率地两个管脚，那么这两个管脚要分别布线。以SCT2360为例，如图8所示，AGND和PGND有两个不同管脚，VCC，FB和EN对应的电路连接到AGND，而功率部分连接到PGND。AGND和PGND的连接通过过孔在地平面相连。如果控制芯片有外露的地焊盘，需要将这个焊盘焊接在PCB上，同时在焊盘下放置过孔阵列与内层的地平面相连接。这样可以有效的降低热阻，减小地阻抗。
















243控制芯片滤波电容及参数设置电路









控制芯片很多管脚会有滤波电容，例如供电管脚VCC，参考电平管脚REF，补偿络的电容，分压电阻的前馈电容等。这些电容的推荐布局和234中的高频滤波电容一致，需要靠近各自的管脚，直接通过走线连接，尽量避免采用过孔的方式。如果采用过孔，至少打两个过孔以减小寄生参数。控制芯片的频率设置电阻，模式设置电阻，使能设置电阻，缓起动电容等也应该放置在离其管脚相近的地方，但是先级没有之前的滤波电容高，当有冲突时，先考虑滤波电容有更好的位置。



















244敏感信号线布局









大电压变化率的线路会通过寄生电容耦合电流到靠近的敏感信号线，为了削弱这种干扰，需要将敏感信号线远离不断进行开关的线路。在多层板中，可以将敏感信号线和不断开关的线路放置在不同的层，中间加一层地平面进行隔离。以SCT2360为例，参考图8，SW，BST是大电压变化率的节点，而FB，EN，AGND是敏感信号节点，需要将这两组线互相远离。




























图9SCT52240布局示例
















245驱动布局









对于驱动器和MOS管的连接，由于驱动环路也是大电压变化率的环路，所以需要遵循以下几条原则，驱动器尽量靠近MOS管，驱动线要短而宽来降低线路阻抗；VDD的去耦电容尽量靠近VDD和GND；驱动器的地与控制芯片以及MOS管的地都采用单点接地的方式连接。在多层板布局中，尽量保证驱动线路在同一层当中。以SCT52240[3]为例，图9给出了布局示例，遵循了上面提到的几个原则。


















246电流检测和电压检测线路布局









在所有的小信号线路中，电流检测对噪声比较敏感，通常来说，电流检测信号的幅值小于100V，这和噪声的幅值水平相当，所以电流检测信号很容易受到干扰。对于电流检测线路，推荐采用开尔文连接（K），这样可以比较大限度的减少电流采样捡拾线路附近大电流变化率所带来的噪声。如图10所示，开尔文连接是指电流采样的走线与采样电阻的两端相连，保证采样得到的电压是被采样电流在采样电阻上形成的压降，避免被采样电流在PCB走线上的压降导致的误差。同时，电流采样线路比较好平行走，长度保持一样。对于电压检测信号，也推荐采用开尔文连接的方式走线，降低外界干扰。


















图10开尔文连接示意图
















此外，如果电流检测电路加入电容进行滤波，这个电容需要放置在离芯片管脚近的地方。避免让电流检测线路靠近诸如SW，BST等不断开关变化的噪声回路。如果在布局中需要使用过孔连接，确保采样线不和地平面以及走功率的如输出正端平面相连接，防止过孔流过大电流，造成损坏。


















3总结









本文针对在板电源PCB布局议题，从电源位置布局，PCB层的分布，功率回路布局，控制电路布局几个部分给出了相应的注意事项，同时分析给出了功率回路中比较重要的大电流变化率回路以及控制回路中比较重要的电流检测和电压检测回路。对于给出的这些注意事项，通过际布局示例给予说明，方便读者能够形象化的理解并运用。
















4参考









1）PCB-LAYOUT-CONSIDERATIONS-FOR-NON-ISOLATED-SWITCHING-POWER-SUPPLIES


2）DC-DC-CONVERTER-PCB-LAYOUT-PART-3


3）详情请参考：SCT2360FPBR


4)详情请参考：SCT52240STDR

















































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