工程課程一般不會(huì)教授如何完成杰出的電路板布局布線。高頻RF類課程會(huì)研究走線阻抗的重要性，但需求自行構(gòu)建體系電源的工程師，一般不會(huì)將電源視為高頻體系，而忽視了電路板布局布線的重要性。

了解本文所述電路板布局布線原則背面的理由并嚴(yán)格恪守，將能夠把開關(guān)形式電源的任何PCB相關(guān)問題降到最小。

開關(guān)形式電源用于將一個(gè)電壓轉(zhuǎn)化為另一個(gè)電壓。這種電源的效率一般很高，因而，在許多應(yīng)用中，它取代了線性穩(wěn)壓器。

開關(guān)頻率與開關(guān)轉(zhuǎn)化

開關(guān)形式電源以必定的開關(guān)頻率作業(yè)。開關(guān)頻率既能夠是固定的(例如在PWM型操控中)，也能夠依據(jù)某些因素而改動(dòng)(例如在PFM或遲滯型操控中)。

無論何種情況，開關(guān)形式電源的作業(yè)原理，都在于它有必定的敞開時(shí)刻Ton和必定的封閉時(shí)刻Toff.一個(gè)50%占空比的典型開關(guān)周期。這意味著，在完好周期T的50%時(shí)刻里，轉(zhuǎn)化器中有某一電流；在別的50%時(shí)刻里，轉(zhuǎn)化器中有不同的電流。

當(dāng)咱們考慮體系噪聲時(shí)，實(shí)踐的開關(guān)頻率(換言之，周期長度T)并不是很重要。假如它在體系的敏感信號(hào)頻率范圍內(nèi)，開關(guān)頻率或其諧波可能會(huì)影響體系。但一般來說，開關(guān)頻率并不是影響體系的最大因素。

在開關(guān)形式電源中，真實(shí)重要的是開關(guān)轉(zhuǎn)化的速度。咱們能夠看到開關(guān)轉(zhuǎn)化在時(shí)刻標(biāo)度上的放大圖。在周期T為2us的時(shí)刻標(biāo)度上，關(guān)于500kHzPWM開關(guān)頻率，轉(zhuǎn)化看起來像是一條垂直線。但放大后，咱們能夠看到，開關(guān)轉(zhuǎn)化一般需求30到90ns的時(shí)刻。

為什么杰出的PCB布局布線非常重要？

每2.5cmPCB走線具有大約20nH的走線電感。切當(dāng)?shù)碾姼兄等Q于走線的厚度、寬度和幾許形狀，但依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般取20nH/2.5cm切實(shí)可行。

假定一個(gè)降壓穩(wěn)壓器供給5A的輸出電流，咱們將會(huì)看到電流從0A切換到5A.當(dāng)開關(guān)電流很大且開關(guān)轉(zhuǎn)化時(shí)刻很短時(shí)，咱們能夠運(yùn)用下面的公式，核算細(xì)小的走線電感會(huì)發(fā)生多大的電壓偏移：

假定走線長2.5cm(20nH)，輸出電流為5A(降壓穩(wěn)壓器中的5A開關(guān)電流)，MOSFET功率開關(guān)的轉(zhuǎn)化時(shí)刻為30ns，那么電壓偏移將是3.33V.

由此可見，僅僅2.5cm的走線電感就能發(fā)生適當(dāng)大的電壓偏移。這種偏移乃至常常導(dǎo)致開關(guān)形式電源完全失效。將輸入電容放在離開關(guān)穩(wěn)壓器輸入引腳幾厘米的當(dāng)?shù)?，一般就?huì)導(dǎo)致開關(guān)電源不能作業(yè)。在布局布線不妥的電路板上，假如開關(guān)電源仍能作業(yè)，它將發(fā)生非常大的電磁干擾(EMI)。

在上面的公式中，咱們僅有能改動(dòng)的參數(shù)是走線電感。咱們能夠使走線盡可能短，然后下降走線電感。較厚的銅線也有助于下降電感。由于負(fù)載所需的功率固定，因而咱們無法改動(dòng)電流參數(shù)。關(guān)于轉(zhuǎn)化時(shí)刻而言，咱們能夠改動(dòng)，但一般不想改動(dòng)。

減慢轉(zhuǎn)化時(shí)刻能夠下降發(fā)生的電壓偏移，然后下降EMI，可是開關(guān)損耗卻會(huì)提高，咱們將不得不以較低的開關(guān)頻率并運(yùn)用昂貴而龐大的電源器材作業(yè)。

找到交流電流走線

在開關(guān)形式電源的PCB布局布線中，最重要的原則是以某種方式使交流走線盡可能短。

假如能認(rèn)真恪守這一原則，杰出的電路板布局布線能夠說現(xiàn)已成功了80%.為了找到這些在很短的時(shí)刻(轉(zhuǎn)化時(shí)刻)內(nèi)將電流從“滿電流”變?yōu)椤盁o電流”的交流走線，咱們將原理圖制作了三次。

它是一個(gè)簡略的降壓型開關(guān)形式電源。在頂部的原理圖中，咱們用虛線畫出了敞開時(shí)刻內(nèi)電流的流動(dòng)。在中心的原理圖中，咱們用虛線畫出了封閉時(shí)刻內(nèi)電流的流動(dòng)。底部的原理圖特別值得留意。這兒，咱們畫出了電流從敞開時(shí)刻變?yōu)榉忾]時(shí)刻的所有走線。

經(jīng)過這種方法，咱們能夠輕松找到任何開關(guān)形式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交流電流走線。

在評(píng)估現(xiàn)有的電路板布局布線時(shí)，一個(gè)好的方法是將其打印在紙上，并放上一張透明的塑料板，然后用不同顏色的筆，畫出敞開時(shí)刻和封閉時(shí)刻內(nèi)的電流流向及相應(yīng)的交流走線。

盡管咱們傾向于以為，能夠在頭腦中完結(jié)這一相對(duì)簡略的作業(yè)，但在思想過程中，咱們常常會(huì)犯一些小錯(cuò)誤，因而，強(qiáng)烈建議在紙上繪出走線。

完成杰出的PCB布局布線

降壓穩(wěn)壓器的交流走線。有必要留意，某些接地走線也是交流走線，相同需求堅(jiān)持盡可能短。此外，關(guān)于這些交流電流途徑，建議不要運(yùn)用任何過孔，因?yàn)檫^孔的電感也適當(dāng)高。關(guān)于這一規(guī)則，僅有非常少的例外情況。

假如交流途徑不運(yùn)用過孔，將實(shí)踐導(dǎo)致比過孔自身更大的走線電感，那么建議運(yùn)用過孔。多個(gè)過孔并聯(lián)優(yōu)于僅運(yùn)用單個(gè)過孔。

電感的特別考慮

在EMI方面，咱們也有必要考慮電感。實(shí)踐器材并不像許多人以為的那樣對(duì)稱。電感有一個(gè)磁芯，磁芯周圍繞著電線。繞組總有一個(gè)開始端和一個(gè)完畢端。

開始端連接到電感的內(nèi)繞組，完畢端從電感的外繞組接出。繞組的開始端一般在器材上標(biāo)有一個(gè)圓點(diǎn)。將開始端連接到高噪聲開關(guān)節(jié)點(diǎn)，將完畢端連接到安靜的電壓非常重要。關(guān)于降壓穩(wěn)壓器，安靜的電壓就是輸出電壓。

這樣，外繞組上的固定電壓，能夠在電氣上屏蔽內(nèi)繞組上的交流開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，然后電源的EMI將會(huì)較低。

趁便提一下，所謂的屏蔽電感也是如此。具有必定磁導(dǎo)率的屏蔽電感的外部，的確運(yùn)用了某種屏蔽材料，該材料會(huì)收緊封裝側(cè)的大部分磁力線。然而，這種材料只能按捺磁場，而不能按捺電場。

外繞組上的交流電壓主要是電氣或容性耦合引起的問題，屏蔽電感的屏蔽材料沒有按捺此類耦合。因而，屏蔽電感也應(yīng)放在電路板上，以便將高噪聲開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到繞組開始端，然后將EMI降到最低。

開關(guān)形式電源杰出電路板布局布線的根底

工程課程一般不會(huì)教授如何完成杰出的電路板布局布線。高頻RF類課程會(huì)研究走線阻抗的重要性，但需求自行構(gòu)建體系電源的工程師，一般不會(huì)將電源視為高頻體系，而忽視了電路板布局布線的重要性。

電路板布局布線不妥引起的大多數(shù)問題，都能夠歸結(jié)為未操控交流電流走線盡可能短并且緊湊。了解本文所述電路板布局布線原則背面的理由并嚴(yán)格恪守，將能夠把開關(guān)形式電源的任何PCB相關(guān)問題降到最小。

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