【導(dǎo)讀】開關(guān)穩(wěn)壓器或功率變換器電路的開關(guān)節(jié)點(diǎn)是關(guān)鍵的傳導(dǎo)路徑，在進(jìn)行PCB布局時(shí)需要特別注意。 該電路節(jié)點(diǎn)將一個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)（例如MOSFET或二極管）連接到磁能存儲(chǔ)設(shè)備（例如電感或變壓器繞組），其開關(guān)信號(hào)包含了快速切換的dV/dt電壓和dI/dt電流，它們很容易耦合到周圍的電路上并產(chǎn)生噪聲問題，可能導(dǎo)致PCB和系統(tǒng)無法滿足嚴(yán)格的電磁兼容性（EMC）要求。
本文將介紹最基本的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，助您了解如何在PCB路由時(shí)確定適當(dāng)?shù)拈_關(guān)（SW）節(jié)點(diǎn)走線尺寸，并了解開關(guān)節(jié)點(diǎn)中電場(chǎng)（E場(chǎng)）和磁場(chǎng)（H場(chǎng)）產(chǎn)生的近場(chǎng)耦合效應(yīng)。
開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形
在開始這部分關(guān)鍵走線的PCB設(shè)計(jì)之前，首先要了解開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電流和電壓波形。尤其需要在布局之前先查看和了解開關(guān)電壓、時(shí)變電流和開關(guān)頻率的波形。
我們以MPS的降壓（buck）變換器MPQ4430為例進(jìn)行說明（見圖1）。降壓變換器MPQ4430集成了上管和下管FET，能夠提供高達(dá)3.5A的負(fù)載電流。
圖1: MPQ4430降壓變換器示例
在這個(gè)示例中，我們利用MPS的DC/DC在線設(shè)計(jì)師工具將MPQ4430穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)為從12V降壓至3.3V，同時(shí)提供3A的最大負(fù)載電流。圖1中的開關(guān)節(jié)點(diǎn)以紅色標(biāo)記為VSW。請(qǐng)注意，本文中的“VSW”和“the SW 節(jié)點(diǎn)”都表示開關(guān)節(jié)點(diǎn)，可互換使用。
圖2中顯示了在其開關(guān)節(jié)點(diǎn)上測(cè)得的開關(guān)電壓波形和電感電流波形。電壓波形以500kHz的頻率在12V和略低于0V的電壓之間切換，但上升/下降時(shí)間則在極低的納秒范圍以內(nèi)。如此大的dV/dt產(chǎn)生了噪聲頻譜高達(dá)數(shù)十至數(shù)百兆赫茲的強(qiáng)電場(chǎng)（E場(chǎng)）。
圖2: 降壓變換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形
由于降壓變換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作，因此電感電流始終為正，并且永不會(huì)達(dá)到0A。電流在降壓變換器導(dǎo)通期間上升至約3.4A，在關(guān)斷周期中降至約2.6A。平均3A的電流提供給負(fù)載。 電感阻止了電流的快速變化，因此電流波形不會(huì)像開關(guān)電壓那樣具有陡峭的過渡邊沿。盡管dI / dt不太大，但在500kHz的開關(guān)頻率下仍存在紋波電流，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)時(shí)變磁場(chǎng)（H場(chǎng)）。對(duì)附近對(duì)該頻率范圍敏感的電路來說，該磁場(chǎng)可能造成潛在問題。
盡量縮短開關(guān)節(jié)點(diǎn)走線長度
開關(guān)節(jié)點(diǎn)走線需要在短距離內(nèi)承載相對(duì)較大的時(shí)變電流。電感應(yīng)該放置在非常靠近穩(wěn)壓器SW引腳的位置。接線越短，來自高dV / dt波形的高頻電場(chǎng)和來自電感紋波電流的低頻磁場(chǎng)耦合就越小。
圖3顯示了開關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由示例，其中電感靠近穩(wěn)壓器放置。設(shè)計(jì)PCB布局時(shí)，要注意在變換器和電感之間預(yù)留一個(gè)小的區(qū)域，以用于那些必須連接到開關(guān)節(jié)點(diǎn)的其他組件（例如小型自舉電容）。但布局原則是盡可能縮短SW的走線長度。
圖3：4層PCB上3A降壓變換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)布局
圖3顯示出自舉電容器的放置原則是使其最長邊垂直于SW走線。這樣可以減小SW引腳和電感之間不必要的距離。盡管電容將電感稍微推遠(yuǎn)了一點(diǎn)，但仍可以實(shí)現(xiàn)大約3mm至4mm的超短走線。具體VSW走線長度取決于應(yīng)用和組件大小，在某些情況下可能會(huì)長于本示例。
確定開關(guān)節(jié)點(diǎn)走線尺寸以滿足電流需求
通常，從穩(wěn)壓器SW引腳到電感輸入側(cè)的走線要比PCB上的其他信號(hào)走線更寬一些。我們建議采用寬走線或覆銅，并滿足以下要求：
1. 銅厚度和走線寬度應(yīng)足夠，以滿足電流需求。
2. 走線長度應(yīng)盡可能短，以最大程度地減少與其他電路產(chǎn)生近場(chǎng)耦合。
SW節(jié)點(diǎn)走線寬度對(duì)于所需電感電流的處理至關(guān)重要。在上述的降壓變換器示例中，提供給電感的平均電流與平均輸出電流（3A）相同。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)首先指定最大電流條件，然后將其用于估算SW節(jié)點(diǎn)的走線寬度。
在我們的設(shè)計(jì)示例中，假設(shè)一個(gè)4層PCB在頂層、底層和內(nèi)層使用了1盎司的銅（參見圖4）。 開關(guān)穩(wěn)壓器電路在頂層放置并路由，接地（GND）返回平面在頂層以下9.26密耳（約10密耳）的位置。我們可以通過許多現(xiàn)成的計(jì)算工具來確定電流導(dǎo)體的尺寸。這些工具可以在PCB CAD軟件或者PCB制造商的網(wǎng)站上找到。
圖4: 3A降壓變換器中采用的4層堆疊
如果設(shè)計(jì)的最大負(fù)載為3A，并需要將PCB的溫升控制在10°C以內(nèi)，則通過計(jì)算可以得出，采用這種4層堆疊，50密耳的導(dǎo)體寬度應(yīng)可以承載接近3.5A的電流。因此，在該設(shè)計(jì)中，50密耳的開關(guān)節(jié)點(diǎn)走線寬度是一個(gè)較好的選擇，它可以提供高于3A最大負(fù)載的裕度。當(dāng)然，根據(jù)具體PCB的允許溫升可以做出不同的權(quán)衡。盡管走線尺寸與電感焊盤一樣寬很常見，但是從這個(gè)示例中我們可以看出，更窄的走線也完全能夠滿足電流和散熱的要求。
請(qǐng)注意，電流導(dǎo)體尺寸的計(jì)算應(yīng)遵循最新的IPC2152標(biāo)準(zhǔn)，而不是老版本的IPC2221。這對(duì)多層PCB尤其重要。基于IPC2152的計(jì)算更加精確，而且考慮了PCB厚度、PCB導(dǎo)熱率、走線厚度以及走線到銅平面的距離等諸多因素。
SW節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)
開關(guān)節(jié)點(diǎn)走線由參考平面上方的PCB走線組成，可以看作是微帶線的超短版本，尤其是在高頻下。微帶線阻抗可控，在高速傳輸線應(yīng)用中用于數(shù)字、高速模擬和射頻（RF）信號(hào)的傳輸。盡管開關(guān)節(jié)點(diǎn)和微帶傳輸線在應(yīng)用中傳導(dǎo)的預(yù)期信號(hào)不同，但它們的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)仍表現(xiàn)出相似的特性。
圖5顯示了SW走線上的開關(guān)電壓和時(shí)變電流所產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。SW走線（寬度w）放置在返回平面上方高度為h的位置。電場(chǎng)線從SW走線的頂部、底部和側(cè)面延伸出來。最強(qiáng)電場(chǎng)（尤其是在高頻下）集中在走線底部和邊緣最接近返回平面的位置。
圖5: 開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)
在高頻之下，電流出現(xiàn)在電場(chǎng)線終止于返回平面的地方。為了更好地控制電場(chǎng)并減少寄生近場(chǎng)耦合，應(yīng)盡可能縮短返回平面和SW走線之間的距離（h），并盡可能加大SW走線與周圍電路之間的距離。
SW走線中的紋波電流會(huì)在走線周圍產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)。來自磁場(chǎng)的磁通量可以通過電路的互感耦合到附近的敏感電路中。與電場(chǎng)類似，限制磁場(chǎng)的最佳方法是最小化h，使返回平面盡可能靠近SW走線，同時(shí)增加SW走線與周圍電路之間的距離。靠近SW節(jié)點(diǎn)放置一個(gè)專用的GND返回平面將能夠提供良好的磁場(chǎng)抑制能力。
結(jié)論
對(duì)任何開關(guān)穩(wěn)壓器或功率變換器電路，SW節(jié)點(diǎn)的布局都需要認(rèn)真對(duì)待。了解SW節(jié)點(diǎn)波形、確定合理的SW走線尺寸并制定策略最大程度地減少近場(chǎng)耦合，這些都非常重要。
首先，我們要充分了解開關(guān)電壓波形、電流波形和開關(guān)頻率。然后根據(jù)最大電流需求確定SW走線寬度，并盡可能縮短SW走線長度。最后，在SW節(jié)點(diǎn)、周圍的IC和電路之間留出足夠的間距，以最大程度地減少近場(chǎng)耦合。當(dāng)采用多層PCB堆疊時(shí)，始終將GND返回平面直接置于SW走線下方，并確保走線盡可能靠近GND平面。這將進(jìn)一步降低來自SW節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生的近場(chǎng)耦合。
設(shè)計(jì)PCB布局時(shí)，遵循上述原則將有助于實(shí)現(xiàn)更好的EMC設(shè)計(jì)！
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