开关模式电源设计PCB布局改进方案

今天主要是关于：开关模式电源设计改进。

一、PCB耦合

通常工程师在 SMPS布局中都会密切关注2个耦合因素，如下图所示：

电压开关节点，具有高dv/dt

热电流环路，包含子系统中最高的di/dt

显示降压转换器di/dt和dv/dt位置的示意图

这里起作用的机制和风险是将不需要的能量通过电容（dv/dt）和电感（di/dt）耦合到系统的其他部分，或者以辐射和传导发射的形式耦合到系统之外。

二、PCB设计检查

这里检查LM22678 5A转换器的PCB布局，其Uin 为12V，Uout为5V。这是一个非同步降压转换器，使用B130L-13-F肖特基二极管用于其低侧开关元件。

12V 至 5V 异步 LM22678 降压转换器原理图

最大限度地减少电容和电感耦合并不是复杂，但是很容易被忽略，从而导致PCB出问题，进而导致产品被推迟。

下图中，可以看到非同步降压稳压器的TO-263封装的布局，其中标出了电压节点（红色轮廓）和热电流环路（黄色）。

采用低侧功率二极管的非同步降压稳压器设计

为了看得更清楚，PCB上的铜填充已经被隐藏，这个设计存在3个明显问题：

1、高 di/dt 环路远大于其需要的值

2、没有过孔连接 Cin 或 Cout的 GND 节点(被过孔覆盖)

3、交换节点可以更小

上面这个设计说明，电流环路没有得到很好的控制，并且由于平面之间缺乏通孔，电流没有明确定义的返回源路径。

三、对于EMC

改进后的布局如下图所示：

优化了电压节点，更小的热环路以及每个无源组件对第2层参考平面。

此外初级Cout电容也相对于原始设计旋转的了90°，降低了输轨道上的噪声风险。

改进的布局考虑了耦合机制

通过将低侧二极管串联移动到开关引脚和电感之间，可以更好地限制dv/dt 耦合效应产生的潜在串扰噪声。

此外，通过减小热环路几何形状，可以降低高di/dt磁场耦合的影响。

虽然说这些变化很小，但是不需要对额外PCB空间或其他子系统进行该改变。但是通过减少约50%的电流环路和优化节点，增强了系统合规性。

四、主要要点：

了解开关模式电源中电流环路的流动位置

保持节点和环路几何形状较小，以减轻不必要的耦合效应

使 Cin远离或 Cout以帮助隔离电流环路感应场，并防止 dv/dt 串扰

将焊盘连接到过孔，而不仅仅是接地填充铜，以帮助限制返回电流

审核编辑：汤梓红