开关型调节器的电路板布局技术

当考虑怎样才能最好地为开关电源设计电路板时，最好首先考虑一下它的最终目的，即提供一个特定数值的稳定电压。有经验的设计人员会谨慎考虑电路的接地方法，从而获得稳定的电压。他们知道很难获得完美的接地方案 ― 因为这不仅仅是接地问题，任何接地工作都会直接影响到电路的性能，设计人员还要特别注意各种稳压元件的位置。

接地

让没有经验的工程师简单地画三条短线表示接地可能是一个误区，这个符号会给初学者一种错觉，简单认为接地是一种理想情况。如果用一条较长的引线把电路的各种元器件连接到电源或电池的负端，您可能从直觉上意识到这条地线并非理想的接地。这条引线表明电流通过地层或地线的电阻、电感流回电源，在这个过程中会产生相应的压降。因此，接地回路不会稳定在一个理想的稳压值 ― 即通常所说的0V。

图1所示boost转换器说明了考虑接地的重要性，该调节器依靠控制器IC内部的基准电压和两个反馈电阻产生特定的输出电压。为了获得正确的反馈从而得到正确的输出电压，电压基准、电阻分压器以及输出电容必须处于同一电位。确切地说，控制器的模拟地引脚(电压基准的地)和电阻分压器的地电位必须与输出电容的地电位相等。输出电容接地端的电压至关重要，因为要求稳压器提供精确电压的负载通常紧靠着输出电容安装 ― 这部分地是反馈电压的参考端。



另一原因是控制器需要精确的电压反馈，为了实现无抖动的开关操作，控制器需要在输出电压出现任何交流干扰时能够产生一个准确的取样，而这个精确的取样是通过反馈网络得到的。

元件布局

除了接地方案，合理的布局稳压元件也很重要。例如，控制器内部的电压基准必须通过紧靠REF引脚安装的电容旁路；基准电压的噪声会直接影响输出电压。同样，该旁路电容的地端必须连接到低噪声的参考地(与控制器的模拟地以及电阻分压器的地端相连)，远离嘈杂的功率地。这个低噪声参考地和嘈杂的功率地之间的隔离至关重要。

既然嘈杂的功率地和低噪声参考地最终还是要连接到一起，为何还必须将二者隔离呢？为了防止较大的开关电流通过模拟小信号的地回路进入电池或电源，这样的隔离是必需的。一旦出现这种状况，敏感信号的地回路遭到干扰；较大的开关电流流经地回路的电阻、电感，使地回路的电平沿着路径发生变化。

了解嘈杂的功率电路有助于找寻将它与其余电路隔离开的最佳方法。图2描述了调节器的功率电路，包括两条电流路径：当MOSFET导通时，电流流过输入回路；当MOSFET断开时，电流流过输出回路。将这两个环路的元件相互靠近布局，可以把大电流限制在调节器的功率电路部分(远离低噪声元件的地回路)。CIN、L1和Q1必须相互靠近放置，CIN、L1、D1和COUT也必须相互靠近。图2特别指明了这两个环路以及需要靠近安装的元件。



实际的电路板布局需要一些折中考虑，特别是在为上述两个大电流环路布局时。如果需要决定将哪些需要就近安装的元件真正地实现就近安装，择须确定每个环路中的哪些元件有不连续的电流流过。就近安装元件可以最大限度地减少寄生电感，而这些具有不连续电流的元件位置对于减少寄生电感非常重要。

其它考虑事项

不管是采用电池还是电源为升压型开关调节器供电，电源阻抗都不为零。这意味着当调节器从电源汲取快速变化的电流时，电源的电压将发生变化。为了改善这种效应，电路设计人员在靠近上述两个功率环路的位置安装了输入旁路电容(有时使用两个电容：一个陶瓷电容与一个有极性电容并联)。这一举措并非为了保持功率电路的电源稳定 ― 即使电源电压发生变化，功率电路也能很好工作。然而，将旁路电容靠近功率电路安装可以限制大电流注入功率电路，避免对低噪电路的干扰。

干扰是如何产生的呢？有三个途径：首先，如上所述，如果功率电路的接地返回电流流经调节器模拟电路的部分地回路或全部地回路，由于地回路的寄生电阻、电感，该电流将在这部分地通道上产生开关噪声。地回路的噪声会降低稳压输出精度，这个电流还可能干扰同一电路板的其它敏感电路。其次，与地回路类似，电池或电源正端的开关噪声还可能耦合至用同一电源供电的其它元件。包括控制芯片，使基准电压发生抖动。若输入旁路电容两端的电压不稳定，在控制器的电源引脚前加一级R/C滤波器有助于稳定其供电电压。最后，交流电流流经的环路面积越大，所产生的磁场也越强，产生干扰的几率也大大增加。将输入旁路电容紧靠功率电路安装可以缩小环路面积，从而降低产生干扰的可能性。

如果输出端的两个分压电阻布局不合理，噪声也会引发其它问题。将这两个电阻靠近控制器的FB引脚放置，可以保证得到一个对噪声相对不敏感的电压反馈控制环路。这种布局可以使电阻分压器中点至开关调节器的FB引脚的引线最短。这是非常必要的，因为电阻分压器中点和控制器FB引脚的内部比较器输入都为高阻抗，连接二者的引线易于耦合(主要通过容性耦合)开关调节器的噪声。当然，必要的话，可以考虑延长电阻分压器与输出端相连的引线，以及电阻分压器与输出电容地端相连的引线，开关型调节器的低输出阻抗可抑制这些引线上的耦合噪声。