为什么良好的PCB布局布线非常重要？.doc

为什么良好的PCB布局布线非常重要？工程课程一般不会教授如何实现良好的电路板布局布线。高频RF类课程会研究走线阻抗的重要性，但需要自行构建系统电源的工程师，通常不会将电源视为高频系统，而忽视了电路板布局布线的重要性。了解本文所述电路板布局布线准则背后的理由并严格遵守，将能够把开关模式电源的任何PCB相关问题降到最小。开关模式电源用于将一个电压转换为另一个电压。这种电源的效率通常很高，因此，在许多应用中，它取代了线性稳压器。开关频率与开关转换开关模式电源以一定的开关频率工作。开关频率既可以是固定的（例如在PWM型控制中），也可以根据某些因素而变化（例如在PFM或迟滞型控制中）。无论何种情况，开关模式电源的工作原理，都在于它有一定的开启时间Ton和一定的关闭时间Toff.一个50%占空比的典型开关周期。这意味着，在完整周期T的50%时间里，转换器中有某一电流；在另外50%时间里，转换器中有不同的电流。当我们考虑系统噪声时，实际的开关频率（换言之，周期长度T）并不是很重要。如果它在系统的敏感信号频率范围内，开关频率或其谐波可能会影响系统。但一般而言，开关频率并不是影响系统的最大因素。在开关模式电源中，真正重要的是开关转换的速度。我们可以看到开关转换在时间标度上的放大图。在周期T为2us的时间标度上，对于500kHz PWM开关频率，转换看起来像是一条垂直线。但放大后，我们可以看到，开关转换通常需要30到90ns的时间。为什么良好的PCB布局布线非常重要？每2.5cm PCB走线具有大约20nH的走线电感。确切的电感值取决于走线的厚度、宽度和几何形状，但根据经验，一般取20nH/2.5cm切实可行。假设一个降压稳压器提供5A的输出电流，我们将会看到电流从0A切换到5A.当开关电流很大且开关转换时间很短时，我们可以利用下面的公式，计算微小的走线电感会产生多大的电压偏移：假设走线长2.5cm（20nH），输出电流为5A（降压稳压器中的5A开关电流），MOSFET功率开关的转换时间为30ns，那么电压偏移将是3.33V.由此可见，仅仅2.5cm的走线电感就能产生相当大的电压偏移。这种偏移甚至常常导致开关模式电源完全失效。将输入电容放在离开关稳压器输入引脚几厘米的地方，通常就会导致开关电源不能工作。在布局布线不当的电路板上，如果开关电源仍能工作，它将产生非常大的电磁干扰（EMI）。在上面的公式中，我们唯一能改变的参数是走线电感。我们可以使走线尽可能短，从而降低走线电感。较厚的铜线也有助于降低电感。由于负载所需的功率固定，因此我们无法改变电流参数。对于转换时间而言，我们可以改变，但一般不想改变。减慢转换时间可以降低产生的电压偏移，从而降低EMI，但是开关损耗却会提高，我们将不得不以较低的开关频率并利用昂贵而庞大的电源器件工作。找到交流电流走线在开关模式电源的PCB布局布线中，最重要的准则是以某种方式使交流走线尽可能短。如果能认真遵守这一准则，良好的电路板布局布线可以说已经成功了80%.为了找到这些在很短的时间（转换时间）内将电流从“满电流”变为“无电流”的交流走线，我们将原理图绘制了三次。它是一个简单的降压型开关模式电源。在顶部的原理图中，我们用虚线画出了开启时间内电流的流动。在中间的原理图中，我们用虚线画出了关闭时间内电流的流动。底部的原理图特别值得注意。这里，我们画出了电流从开启时间变为关闭时间的所有走线。通过这种方法，我们可以轻松找到任何开关模式电源拓扑结构的交流电流走线。在评估现有的电路板布局布线时，一个好的办法是将其打印在纸上，并放上一张透明的塑料板，然后用不同颜色的笔，画出开启时间和关闭时间内的电流流向及相应的交流走线。虽然我们倾向于认为，能够在头脑中完成这一相对简单的工作，但在思维过程中，我们常常会犯一些小错误，因此，强烈建议在纸上绘出走线。实现良好的PCB布局布线降压稳压器的交流走线。必须注意，某些接地走线也是交流走线，同样需要保持尽可能短。此外，对于这些交流电流路径，建议不要使用任何过孔，因为过孔的电感也相当高。对于这一规则，仅有非常少的例外情况。如果交流路径不使用过孔，将实际导致比过孔本身更大的走线电感，那么建议使用过孔。多个过孔并联优于仅使用单个过孔。电感的特殊考虑在EMI方面，我们也必须考虑电感。实际器件并不像许多人认为的那样对称。电感有一个磁芯，磁芯周围绕着电线。绕组总有一个起始端和一个结束端。起始端连接到电感的内绕组，结束端从电感的外绕组接出。绕组的起始端通常在器件上标有一个圆点。将起始端连接到高噪声开关节点，将结束端连接到安静的电压非常重要。对于降压稳压器，安静的电压就是输出电压。这样，外绕组上的固定电压，可以在电气上屏蔽内绕组上的交流开关节点电压，从而电源的EMI将会较低。顺便提一下，所谓的屏蔽电感也是如此。具有一定磁导率的屏蔽电感的外部，确实使用了某种屏蔽材料，该材料会收紧封装侧的大部分磁力线。然而，这种材料只能抑制磁场，而不能抑制电场。外绕组上的交流电压主要是电气或容性耦合引起的问题，屏蔽电感的屏蔽材料没有抑制此类耦合。因此，屏蔽电感也应放在电路板上，以便将高噪声开关节点连接到绕组起始端，从而将EMI降到最低。开关模式电源良好电路板布局布线的基础工程课程一般不会教授如何实现良好的电路板布局布线。高频RF类课程会研究走线阻抗的重要性，但需要自行构建系统电源的工程师，通常不会将电源视为高频系统，而忽视了电路板布局布线的重要性。电路板布局布线不当引起的大多数问题，都可以归结为未控制交流电流走线尽可能短并且紧凑。了解本文所述电路板布局布线准则背后的理由并严格遵守，将能够把开关模式电源的任何PCB相关问题降到最小。