本期讲解的是PCB设计中经典电路的分析--直流电源（DC-DC）模块介绍。

一、直流电源电路组成

无隔离降压转换器，如下图：

电流环路组成部分：

输入回路：VIN正极到CIN到VIN负极的回路

电源开关回路：CIN到SW到L到电容回到CIN的回路

整流回路：二极管到电感L到电容回到二极管的回路

输出回路：电容到负载的回路

BUCK型开关电源各工作点信号介绍

1、开关电源各节点电流介绍：

在开关电源输出负载恒定的情况下，开关电源的各点输出波形，对于脉冲波形，它是一个干扰源，但如果输出负载发生突变，则输出电流也随之发生变化，故对于电流的输出也需要注意。

2、开关电源各节点电压介绍：

对于电压波形，只需要关心电感L的左端，脉冲波形的幅值取决于输入电压的大小。

3、开关电源的构成

（1）输出电源

（2）输入滤波电容

（3）开关管

（4）磁性元件

（5）输出滤波

（6）采样电路

（7）控制驱动电路和保护电路

二、直流电源设计基本原则

1、布局应尽量满足以下要求：

总的连接尽可能短，关键信号线最短，高电压大电流信号与小电流分开，低电压的弱信号分开，模拟信号与数字信号分开，高频信号与低频信号分开，高频元器件的间隔要充分。

对于DC-DC电源来讲，最重要的部分包括：输入输出电容、电感、MOSFET、在Layout时这些器件要尽量靠近IC放置，形成环路要越小越好，器件之间不要布置其他电路。

功率部分和控制部分分开布局，功率回路一般都是大电压，大电流，大功率的电路，干扰比较大。而控制电路都是低电压的，如果把控制部分放到功率部分，控制部分受干扰是可能性非常大，尤其是电源模块在单面布局的情况下。

走线尽可能短而粗，能铺铜的尽量铺铜皮，因为铜皮可以改善转换器件的散热条件，同时铜皮可以捕获射频能量并通过涡流的形式很好的消耗掉，减少电磁干扰。

2、电源地处理。

（1）功率地和控制地要分开处理，单点连接滤波电容的接地管脚等处。

（2）数字地和模拟地要分开，如果直接将两种地连接在一起，某些情况下回造成严重后果。

（3）因为存在耦合电容和分布电容，电容和地之间会有相同的AC电势，因此电源平面也要分开。

（4）数字地与模拟地平面需要分开，不可交迭，如果交迭，数字的高速噪声会通过分布电容，耦合到模拟平面。

本期讲解的是PCB设计中经典电路的分析--直流电源（DC-DC）模块。

三、EMI问题

驱动芯片到开关管的距离要短，驱动信号线和地线之间的环路要最小，驱动信号也是一个di/dt的干扰源，环路也要进行有效控制。

每个开关电源有四个功能环路，每个环路和其他环路分开，不要出现电流环路重叠的情况，尤其不要输入输出交叉的情况。

变压器和电感正下方要挖空或铺碎铜，不要把其他网络深入到变压器或电感下面，因为变压器是一个主要的磁场源，近场的辐射很大，控制部分的网络和出入输出的网络不要跟变压器距离过近。

动点（开关器件和电感器件连接的点）的面积要严格控制，满足通流要求即可，不允许出现多余的跟通流无关的动点面积，一般的做法是：走线的宽度尽量大。

【说明】动点是一个大的dv/dt源，如果走线很长或面积很大，动点对大地的耦合电容会加大，等效天线的辐射效率也会增大，干扰会加大。

电感与上下MOSFET管尽可能的靠近以减少EMI的干扰问题。（一般控制在15mm）

High side和Low side MOSFET的gate driver与phase的路径长度要小于20mm，宽度保持在30mil以上，并且三条信号尽量平行（走线不要交叉）。

四、敏感信号的处理

频率设定电路，电压电流采样电路，受到干扰会使输出变得不稳定，layout时要特别注意。

电源是一种模拟和数字的混合信号，电源模拟部分的信号是弱信号，微小的干扰都可能导致不能正常工作，在layout时要设法减少对模拟电路的干扰，使电源稳定可靠的工作。为此，芯片的滤波电容要优先靠近芯片放置，数字电路和模拟电路隔开，模拟部分不可以走数字信号。

模拟信号地和数字信号地要隔开，一般处理方法是小信号地连接在一起，在和其他地连接(单点连接)，反馈信号走线要尽量短，走线区域要干净，对电流采样信号要走差分形式，最好等长，芯片不能放在电感下面，反馈信号不能穿过电感，芯片和电感最好隔开一段距离。需要强调的是第平面可以隔开电场，但不能隔开磁场，电感是强磁场器件，工作时其周围有较大磁场。

电流采样走线准则

1、尽量减小采样电阻（电感）与控制IC之间的距离，并且保证采样电阻（电感）与IC之间的走线采用伪差分的形式，

2、走线的宽度尽量短。

五、热设计问题

1、电源中的发热器件:电感、MOSFET大电流采样电阻，驱动芯片和输出电容，其中最热的器件是电感和MOSFET，发热元器件放在易散热的地方，避免集中放置。

2、不能上下叠层放置，避免局部过热，layout时对不会产生电磁辐射的发热器件可以增加铜皮面积。铜皮最好接地，避免悬空的铜皮，这样可以避免天线效应，又能更快的散热。

3、在布置元器件时，元器件与元器件之间，元器件与结构件之间应保持一定的距离，以利用空气流动，增强对流换热。

4、在PCB上安装各种元器件时，应将功率大，发热量大的元器件放在边沿和顶部，以利于散热。

5、在布置元器件时，应将不耐热的元件（如电解电容器等）放在靠近进风口的位置，而将本身发热而又耐热的元件（如：电阻/变压器）放在靠近出风口的位置。

六、提高转换效率

损耗的分类：开关损耗、导通损耗、附加损耗、电阻损耗。

1、要获得很高的转换效率，需要减少MOSFET的导通时间，对驱动芯片来说，就是要有较大的驱动电流，为此需要使驱动信号走线又短又粗，减少走线电感和MOSFET栅极电容之间的LC常数；

2、增加主要回路的通流面积，减少走线电阻导致的损耗。

以上便是PCB设计中经典电路分析--直流电源模块的介绍，下期预告：经典电路分析--时钟电路，请同学们持续关注【快点儿PCB学院】。另迈威科技Cadence Allegro PCB设计培训生持续招募中，欢迎咨询林老师0755-84713271。