电源PCB设计的要点分析

电源

由于开关电源的开关特性，容易使得开关电源产生极大的电磁兼容方面的干扰，作为一个电源工程师、电磁兼容工程师，或则一个 PCB layout 工程师必须了解电磁兼容问题的原因已经解决措施，特别是 layout 工程师，需要了解如何避免脏点的扩大，本文主要介绍了电源 PCB 设计的要点。
layout与PCB的29个基本关系
1、几个基本原理：任何导线都是有阻抗的；电流总是自动选择阻抗最小的路径；辐射强度和电流、频率、回路面积有关；共模干扰和大 dv/dt 信号对地互容有关；降低 EMI 和增强抗干扰能力的原理是相似的。
2、布局要按电源、模拟、高速数字及各功能块进行分区。
3、尽量减小大 di/dt 回路面积，减小大 dv/dt 信号线长度（或面积，宽度也不宜太宽，走线面积增大使分布电容增大，一般的做法是：走线的宽度尽量大，但要去掉多余的部分），并尽量走直线，降低其隐含包围区域，以减小辐射。
4、感性串扰主要由大 di/dt 环路（环形天线），感应强度和互感成正比，所以减小和这些信号的互感（主要途径是减小环路面积、增大距离）比较关键；容性串扰主要由大 dv/dt 信号产生，感应强度和互容成正比，所有减小和这些信号的互容（主要途径是减小耦合有效面积、增大距离，互容随距离的增大降低较快）比较关键。
5、尽量利用环路对消的原则来布线，进一步降低大 di/dt 回路的面积，如图 1 所示（类似双绞线利用环路对消原理提高抗干扰能力，增大传输距离）：

图 1 ，环路对消（ boost 电路的续流环）

6、降低环路面积不仅降低了辐射，同时还降低了环路电感，使电路性能更佳。
7、降低环路面积要求我们精确设计各走线的回流路径。
8、当多个 PCB 通过接插件进行连接时，也需要考虑使环路面积达到最小，尤其是大 di/dt 信号、高频信号或敏感信号。最好一个信号线对应一条地线，两条线尽量靠近，必要时可以用双绞线进行连接（双绞线每一圈的长度对应于噪声半波长的整数倍）。如果大家打开电脑机箱，就可以看到主板到前面板 USB 接口就是用双绞线进行连接，可见双绞线连接对于抗干扰和降低辐射的重要性。
9、对于数据排线，尽量在排线中多安排一些地线，并使这些地线均匀分布在排线中，这样可以有效降低环路面积。
10、有些板间连接线虽然是低频信号，但由于这些低频信号中含有大量的高频噪声（通过传导和辐射），如果没有处理好，也很容易将这些噪声辐射出去。
11、布线时首先考虑大电流走线和容易产生辐射的走线。
12、开关电源通常有 4 个电流环：输入、输出、开关、续流，（如图 2 ）。其中输入、输出两个电流环几乎为直流，几乎不产生 emi ，但容易受干扰；开关、续流两个电流环有较大的 di/dt ，需要注意。

图 2 ， Buck 电路的电流环13、mos （ igbt ）管的栅极驱动电路通常也含有较大的 di/dt 。

14、在大电流、高频高压回路内部不要放置小信号回路，如控制、模拟电路，以避免受到干扰。
15、减小易受干扰（敏感）信号回路面积和走线长度，以减小干扰。
16、小信号走线远离大 dv/dt 信号线（比如开关管的 C 极或 D 极，缓冲 (snubber) 和钳位网络），以降低耦合，可在中间铺地（或电源，总之是常电位信号）进一步降低耦合，铺地和地平面要良好接触。小信号走线同时也要尽量远离大 di/dt 的信号线，防止感性串扰。小信号走线最好不要走到大 dv/dt 信号的下方。小信号走线背面如果能够铺地（同性质地），也能降低耦合到的噪声信号。
17、比较好的做法是，在这些大 dv/dt 、 di/dt 信号走线（包括开关器件的 C/D 极、开关管散热器）的周围和背面铺地，将上下两层铺地用过孔连接，并将此地用低阻抗走线接到公共接地点（通常为开关管的 E/S 极，或取样电阻）。这样可以减小辐射 EMI 。要注意，小信号地一定不能接到此屏蔽地上，否则会引入较大干扰。大 dv/dt 走线通常会通过互容将干扰耦合到散热器及附近的地，最好将开关管散热器接到屏蔽地上，采用表贴开关器件也会降低互容，从而降低耦合。
18、易产生干扰的走线最好不要使用过孔，它会通过过孔干扰过孔所穿过的所有层。
19、屏蔽可以降低辐射 EMI ，但由于增大了对地的电容，会使传导 EMI （共模，或非本征差模）有所增大，不过只要屏蔽层接地得当，不会增大很多。实际设计中可权衡考虑。
20、要防止共阻抗干扰，采用一点接地，电源从一点引出。
21、开关电源通常有三种地：输入电源大电流地、输出电源大电流地、小信号控制地，地的连接方法见如下示意图：

22、接地时首先应先判断地的性质，再进行连接。采样及误差放大的地通常应当接到输出电容的负极，采样信号通常应从输出电容的正极取出，小信号控制地和驱动地通常要分别接到开关管的 E/S 极或取样电阻上，防止共阻抗干扰。通常 IC 的控制地和驱动地不单独引出，此时取样电阻到上述地的引线阻抗必须尽量小，最大程度减小共阻抗干扰，提高电流采样的精度。
23、输出电压采样网络最好靠近误差放大器，而不是靠近输出端，这是由于低阻抗信号比高阻抗信号更不容易受到干扰，采样走线对要尽量相互靠近以减小拾取到的噪声。
24、布局注意电感要远离，并相互垂直，以减小互感，尤其是储能电感和滤波电感。
25、布局注意高频电容和低频电容并联使用时，高频电容靠近使用者。
26、低频干扰一般为差模（ 1M 以下），高频干扰一般为共模，通常通过辐射耦合。
27、如果高频信号被耦合到输入引线，很容易形成 EMI （共模），可在输入引线接近电源处套一个磁环，如果 EMI 降低就表明存在此问题。解决此问题的方法是，降低耦合或降低电路的 EMI 。如果高频噪声没有被过滤干净而传导到输入引线，也会形成 EMI （差模），此时套磁环不能解决问题，在输入引线接近电源处串两个高频电感（对称），如果 EMI 降低就表明存在此问题。解决此问题的方法是改善滤波，或采用缓冲、钳位等手段减小高频噪声的产生。
28、差模和共模电流的测量：

29、EMI 滤波器要尽量靠近进线，进线的走线要尽量短，尽量减小 EMI 滤波器前后级的耦合。进线最好用机壳地进行屏蔽（方法如上所述）。输出 EMI 滤波器也要作类似处理。尽量拉开进线和高 dv/dt 信号走线的距离，在布局上要加以考虑。