良心分享:开关电源这样布局,噪声才能化解于无形一声叹息

一声叹息，幽幽传来， “唉，又是噪声问题！...”
——这样的场景，你遇到过多少次呢？
在电路板设计中，噪声问题是每位设计师都会遇到的一大问题。为了解决噪声问题，一般需要花费数小时时间来进行实验室测试才能揪出真正的元凶。然而很多时候我们却发现，噪声问题是由开关电源的布局不当而引起的。该怎么解决此类问题呢？
作为例子的开关调节器布局采用双通道同步开关控制器ADP1850 ，第一步是确定调节器的电流路径。然后，进行物理规划和电源器件的考虑。此外，我们需要了解一点：电流路径决定了器件在该低噪声布局布线设计中的位置。
调节器的电流路径
在开关转换器设计中，高电流路径和低电流路径彼此非常靠近。交流(AC)路径携带有尖峰和噪声，高直流(DC)路径会产生相当大的压降，低电流路径往往对噪声很敏感。适当PCB布局布线的关键在于确定关键路径，然后安排器件，并提供足够的铜面积以免高电流破坏低电流。性能不佳的表现是接地反弹和噪声注入IC及系统的其余部分。
图1所示为一个同步降压调节器设计，它包括一个开关控制器和以下外部电源器件：高端开关、低端开关、电感、输入电容、输出电容和旁路电容。图1中的箭头表示高开关电流流向。必须小心放置这些电源器件，避免产生不良的寄生电容和电感，导致过大噪声、过冲、响铃振荡和接地反弹。

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图1.典型开关调节器(显示交流和直流电流路径)
诸如DH、DL、BST和SW之类的开关电流路径离开控制器后需妥善安排，避免产生过大寄生电感。这些线路承载的高δI/δt交流开关脉冲电流可能达到3A以上并持续数纳秒。高电流环路必须很小，以尽可能降低输出响铃振荡，并且避免拾取额外的噪声。
低值、低幅度信号路径，如补偿和反馈器件等，对噪声很敏感。应让这些路径远离开关节点和电源器件，以免注入干扰噪声。
布局物理规划
PCB物理规划(floorplan)非常重要，必须使电流环路面积最小，并且合理安排电源器件，使得电流顺畅流动，避免尖角和窄小的路径。这将有助于减小寄生电容和电感，从而消除接地反弹。
图2所示为采用开关控制器ADP1850的双路输出降压转换器的PCB布局。请注意，电源器件的布局将电流环路面积和寄生电感降至最小。虚线表示高电流路径。同步和异步控制器均可以使用这一物理规划技术。在异步控制器设计中，肖特基二极管取代低端开关。

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图2.采用ADP1850控制器的双路输出降压转换器的PCB布局
电源器件：MOSFET和电容
顶部和底部电源开关处的电流波形是一个具有非常高δI/δt的脉冲。因此，连接各开关的路径应尽可能短，以尽量降低控制器拾取的噪声和电感环路传输的噪声。在PCB一侧上使用一对DPAK或SO-8封装的FET时，最好沿相反方向旋转这两个FET ，使得开关节点位于该对FET的一侧，并利用合适的陶瓷旁路电容将高端漏电流旁路到低端源。务必将旁路电容尽可能靠近MOSFET放置(参见图2) ，以尽量减小穿过FET和电容的环路周围的电感。
输入旁路电容和输入大电容的放置对于控制接地反弹至关重要。输出滤波器电容的负端连接应尽可能靠近低端MOSFET的源，这有助于减小引起接地反弹的环路电感。图2中的Cb1和Cb2是陶瓷旁路电容，这些电容的推荐值范围是1μF至22μF 。对于高电流应用，应额外并联一个较大值的滤波器电容，如图2的CIN所示。
散热考虑和接地层
在重载条件下，功率MOSFET、电感和大电容的等效串联电阻(ESR)会产生大量的热。为了有效散热，图2的示例在这些电源器件下面放置了大面积的铜。
多层PCB的散热效果好于2层PCB 。为了提高散热和导电性能，应在标准1盎司铜层上使用2盎司厚度的铜。多个PGND层通过过孔连在一起也会有帮助。图3显示一个4层PCB设计的顶层、第三层和第四层上均分布有PGND层。

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图3.截面图：连接PGND层以改善散热
这种多接地层方法能够隔离对噪声敏感的信号。如图2所示，补偿器件、软启动电容、偏置输入旁路电容和输出反馈分压器电阻的负端全都连接到AGND层。请勿直接将任何高电流或高δI/δt路径连接到隔离AGND层。 AGND是一个安静的接地层，其中没有大电流流过。