电源PCB布局注意事项总结

发布时间:2021-12-29

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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，对于这些系统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第一次上电工作正常，同时不存在温升过高和噪音的问题。然而事实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。

2 PCB设计注意事项

好的PCB设计能够优化电源的效率，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。

2.1 电源的位置选择[1]

首先对于板上电源，作为整个系统板上的一部分，需要在系统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，造成负载端的实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，最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，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，需要保证高的无源器件例如电感，电解电容等不会阻挡住矮的有源器件例如MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），PWM控制器（Pulse Width Modulation Controller）等被风扇吹到。

2.2 多层PCB的设计

表格 1 不良和推荐的PCB层设计

在多层板设计中，强烈建议在大电流层和敏感的小信号层之间加一层地或者直流电压层，例如输入电压或者输出电压。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，尽量减少干扰。

表格 1给出了六层板和四层板的层设计，左边一栏是不良的设计，右边一栏是推荐的层设计。不良设计里面，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，小信号容易受到影响，在传递中失真。改成右侧栏的设计之后，不存在这样的问题。

2.3 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，过流设定等等，这部分器件一般放置在电源特定的位置。

2.3.1 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，系统效率下降，甚至电路无法正常工作。公式 1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，那对应的最小线宽是120mil。

W=（-1.31+5.813*I+1.548*I^2-0.052*I^3 ）*2/T_cu 公式 1

不同电流值对应线宽的经验值是1OZ的铜重量，线宽30mil可以承受1A电流。如果是大电流变化率的电流，需要更宽的线宽。当然，条件允许时，对于连续的电流或者稳定的电压部分，线宽越宽越好，节点面积越大越好。对于流过大电流的过孔，一般的经验是直径为6mil的过孔承受最多1A电流，直径14mil承受最多2A电流，直径40mil承受最多5A电流。为了更好的散热，可以在过孔中填充焊锡。如果是过孔阵列，要在过孔间留足间隙。

2.3.2 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。而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（Electro Magnetic Interference）测试通过的可能性。为此需要减小大电流变化率回路的面积，首先需要识别出这样的回路。

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。

图 1 Buck电路基本结构

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。

图 3 Buck电路大电流变化率回路布局示例

图 3给出了Buck电路大电流变化率回路布局示例。首先，尽量将所有的功率器件放置在PCB的同一面，PCB的功率走线放置在同一层，这样可以减少线路的阻抗，减少过孔的数量。如果一定要在不同层进行功率线布局，选择连续电流的路径放在另外的PCB层，同时放置足够多的过孔。

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 4，图 5和图 6分别出给了Boost电路的基本电路结构，大电流变化率回路和布局示例。

图 4 Boost电路基本结构

图 5 Boost电路大电流变化率回路

图 6 Boost电路大电流变化率回路布局示例

2.3.3 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，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。一般的Buck或者Boost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。

图 7 SCT2360 12V输入 5V输出 6A负载原理图

图 8 SCT2360布局示例

2.3.4 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最近的地方，直接通过短而粗的线相连。

表格 2 高频滤波电容布局示例（无过孔）

表格 3 高频滤波电容布局示例（有过孔）

2.3.5 多个电源布局

如果系统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

2.4 控制电路布局

2.4.1 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Buck电路，控制电路推荐放在靠近输出电压侧，对于Boost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0.5~1inch。无法满足该条件时，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。

2.4.2 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。

2.4.3 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，补偿网络的电容，分压电阻的前馈电容等。这些电容的推荐布局和2.3.4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，但是优先级没有之前的滤波电容高，当有冲突时，优先考虑滤波电容有更好的位置。

2.4.4 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 9 SCT52240布局示例

2.4.5 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。

2.4.6 电流检测和电压检测线路布局

在所有的小信号线路中，电流检测对噪声最敏感，通常来说，电流检测信号的幅值小于100mV，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（Kelvin sense），这样可以最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，电流采样线路最好平行走，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。