PCB 電源佈局
在電子系統中，電源是負責為其他功能供電的關鍵模組。精心設計的 PCB 佈局可以優化電源效率、減少散熱問題並最大限度地降低噪聲，從而確保準確且穩定的功率輸出。隨著工業、汽車、通訊和消費性產品對小型化和智慧化的需求不斷增加，電源解決方案也必須滿足這些要求。本文總結了板載電源 PCB 佈局的關鍵注意事項，並提供參考指南。
1. 電源定位
設計板載電源時，必須儘早考慮它們在系統佈局中的放置。一個關鍵原則是將電源放置在靠近負載的位置，以避免過長的PCB 走線，否則可能會導致實際負載電壓和電源輸出之間出現顯著的壓降，從而影響功率精度、減慢動態負載響應並降低效率。
此外，正確估算電源面積也至關重要；否則，可能無法實現基本的 PCB 佈局規則，進而影響電源供應器的效能。如果系統包括風扇冷卻，則將電源放置在排氣口附近可以幫助散熱並提高效率。確保風扇冷卻的有效性需要仔細考慮散熱路徑，確保較高的被動元件（如電感和電解電容）不會阻礙較短的主動元件（如MOSFET和PWM控制器）的散熱通道。
2.多層PCB設計
在多層PCB設計中，建議在大電流層（如輸入或輸出電壓）和敏感小訊號層之間放置接地或直流電壓層，作為屏蔽層。地或直流電壓層有效隔離敏感小訊號與電源電路，防止幹擾。接地或直流電壓層佈局的基本原則是盡量減少佈線，確保整個層保持完整且不分段。若需要走線，應與電源層大電流走線方向保持一致，以盡量減少干擾。
| 6層PCB | |
|---|---|
| 不良層設計 | 推薦層設計 |
| 第 1 層 – 電源組件 | 第 1 層 – 電源組件 |
| 第 2 層 – 訊號 | 第 2 層 – 接地層 |
| 第 3 層 – 接地層 | 第 3 層 – 訊號 |
| 第 4 層 – 直流電壓或接地層 | 第 4 層 – 訊號 |
| 第 5 層 – 訊號 | 第 5 層 – 直流電壓或接地層 |
| 第 6 層 – 電源組件或控制器 | 第 6 層 – 電源組件或控制器 |
| 4層PCB | |
| 不良層設計 | 推薦層設計 |
| 第 1 層 – 電源組件 | 第 1 層 – 電源組件 |
| 第 2 層 – 訊號 | 第 2 層 – 接地層 |
| 第 3 層 – 接地層 | 第 3 層 – 訊號 |
| 第 4 層 – 訊號或控制器 | 第 4 層 – 訊號或控制器 |
3. 電源元件佈局
開關電源由電源電路和小訊號控制電路組成。電源電路包括電感、電容、MOSFET等大電流元件，在佈局時應優先考慮這些元件。小訊號控制電路包括反饋電阻、補償網路、頻率設定和過流設置，這些電路通常放置在電源晶片上的特定位置。
3.1 電源走線寬度計算
高電流流經電源走線，如果走線寬度太窄，會增加走線電阻，導致 PCB 溫度升高。以下公式適用於計算 1A 至 20A 電流範圍的走線寬度，其中 W 是以密耳為單位的走線寬度，I 是以安培為單位的電流，Tcu 是以盎司為單位的 PCB 銅重量。例如，電流為 5A，銅重為 1 盎司，最小跡線寬度應為 120 密耳。
3.2 高電流變化率環路佈局
所有組件（包括 PCB 走線）都具有寄生電感、電容和電阻。電流的高變化率可能會在寄生電感上引起電壓尖峰，從而增加組件電壓需求並輻射干擾，從而降低通過 EMI 測試的可能性。
圖1顯示了Buck電路的基本結構，其中綠線表示上開關導通時的電流路徑，紅線表示上開關關斷時的電流路徑。僅具有一種顏色的部分代表高電流變化率迴路。此方法可以應用於所有電路拓撲。
圖 2 說明了降壓電路中的高電流變化率迴路（以藍色顯示）。佈置此環路時，請確保其接地層和接地平面在單點處分離並連接。環路的高頻去耦電容器的範圍通常為 0.1uF 至 10uF，屬於 X5R 或 X7R 陶瓷類型，這些電容器因其低寄生電感和電阻而受到青睞，為高電流變化率提供可靠的路徑。
圖 3 和圖 4 分別顯示了 Boost 電路的基本電路結構和高電流變化率迴路。可以應用與降壓電路類似的分析和佈局方法。
3.3 高電壓變化率節點佈局
在開關電源中，開關MOSFET與續流二極體或同步整流MOSFET之間的節點在地電壓和高電壓之間切換，具有高電壓變化率。此節點的振鈴電壓是 EMI 雜訊的主要來源。為了防止雜訊耦合到對雜訊敏感的小訊號電路中，應最小化開關節點的面積。但由於此節點承載大電流，其銅面積也有助於MOSFET和二極體的散熱，因此不宜太小。
In 多層線路板 設計中，建議將接地層直接放置在開關節點下方以進行額外隔離，以防止噪音傳播。以SCT2360為例，電感L1靠近SW節點放置，在確保足夠散熱的同時最大限度地減少SW節點的銅面積，從而減少噪音傳播。此外，連接 BST 和 SW 的環路保持盡可能小，這得益於晶片設計，其中 SW 和 BST 放置在相鄰的引腳上。
3.4 高頻濾波電容佈局
高頻濾波電容器是關鍵元件，為高電流變化率迴路提供通路，在降低電壓應力方面發揮至關重要的作用。例如，在SCT2360中，電容C3應盡可能靠近晶片的VIN PIN和PGND PIN放置，透過短而寬的走線直接連接。
高頻濾波電容器佈局範例（無過孔）
高頻濾波電容器佈局範例（帶過孔）
3.5 多電源佈局
如果系統有多個電源共用輸入來源，且這些電源會不同步運行，則應將每個電源的輸入電源走線分開，以防止共模雜訊透過輸入和地傳播，造成相互幹擾。
結語
百分之八十的電源設計問題源自 PCB 佈局問題。前期投入足夠的時間進行PCB佈局，可以有效減少後期的電源調試時間，縮短整體開發週期。 SCT23xx系列以其優化的晶片引腳佈局，幫助客戶實現最佳的PCB佈局，從而實現卓越的功率性能。
