降压、升压和 SEPIC 功率级的布局

在本电源提示中，我研究了降压、升压和单端初级电感转换器 (SEPIC) 功率级。

首先，使用降压转换器使输出电压低于输入电压。下图显示了降压转换器原理图和布局。

在脉宽调制器 (PWM) 导通期间，电流通过绿色箭头路径从输入电容器通过开关晶体管流向电感器。当 PWM 关闭时，电流继续通过粉红色箭头路径流过电感器。这意味着输出具有连续流动的电流。输入有一个高频电流，在每个周期内打开和关闭。功率级布局最重要的部分是减少高频环路。上图中的蓝色箭头反映了这一点。在晶体管导通期间，电流短暂地通过二极管 D1 流向地。在此期间，如果输入电容器的位置不靠近，那么这种大电流浪涌可能会导致一些设计问题。

确保电源走线或电源层足够宽以处理电源电流。一般来说，除开关节点外，电源平面应尽可能大。开关节点具有高 dV/dt 信号，可以耦合到 PCB 布局的其他部分，因此最小化表面积是一种很好的做法。使用过孔连接不同层上的电源层。一个简单的经验法则是每个通孔(10 密耳钻孔)的电流不超过 1A。如果您创建一个与 PCB 大小相同的大型连续接地层，这有助于减少噪声和高频环路。

使用升压转换器用于从较低的输入电压产生较高的输出电压。您可以将用于降压转换器的相同过程应用于升压转换器，以识别关键路径和环路。

在 PWM 开启期间，电流从输入通过电感器流向开关晶体管(绿色箭头)。能量在 PWM 开启期间在电感器中积累，然后在 PWM 关闭期间转移到输出端。现在电流跟随粉红色箭头并从输入流向输出。这意味着输入侧的电流是连续的。输出端的电流是高频开关电流。为尽量减少高频噪声，请尽可能缩短以蓝色显示的环路。

在晶体管导通期间，电流仅从输出端短暂地通过二极管流向地。该电流如果没有被输出电容器正确旁路，可能会导致电源设计出现问题。您用于降压转换器的相同通用布局技术也可以应用于升压。最小化开关节点面积并使用多个过孔连接到接地层。

当输入电压可以高于或低于输出电压时使用 SEPIC 转换器。这种类型的电源可以在输入低于输出时升压，或者在输入高于输出时降压。该电路使用两个电感或一个耦合电感。

因为有两个电感器，所以我们在开关周期的每个部分都有两条电流路径。在 PWM 开启期间，电流遵循绿色箭头并在电感器中积聚能量。当 PWM 关闭时，能量通过粉红色电流路径传输到输出。在 SEPIC 设计中，输入上的电流是连续的。输出侧存在高频开关电流，因此您需要最小化蓝色所示的环路。使用位于输出电容器附近的过孔连接到接地层。接地层在所有组件之间提供了一条低阻抗路径并降低了噪声。

电源布局是一个非常棘手的课题。第一步是确定电流如何在电源中流动，然后找到并最小化高频环路。接下来使用接地层和电源层以非常低的阻抗方式连接组件。确保使用的平面足够宽以承载设计电流。使高频开关节点尽可能小，以减少噪声耦合到其他信号的机会。使用具有许多过孔的大型连续接地层来连接不同组件的接地也是一种很好的做法。