开关电源是电力电子设备中广泛使用的电源拓扑。无论是复杂的CNC机床还是紧凑的电子设备，只要该设备连接到某种电源，SMPS电路始终是必需的。无论电路的设计和功能如何，电源设备不当或故障都可能导致产品严重故障。我们已经使用电源集成和Viper控制器IC设计了许多SMPS电源电路，例如12V 1A SMPS和5V 2A SMPS。
每个开关电源都使用诸如MOSFET或功率晶体管之类的开关，该开关根据开关驱动器的规格不断地导通或关断。此ON和OFF状态的开关频率范围从几百千赫兹到兆赫兹。在这种高频开关模块中， PCB设计策略至关重要，有时设计人员会忽略它。例如，不良的PCB设计可能导致整个电路故障，而设计良好的PCB可以解决许多不愉快的事件。
作为一般的经验法则，本教程将提供重要的PCB设计布局指南的一些详细方面，这对于任何一种基于开关模式电源的PCB设计都是必不可少的。您也可以查看SMPS电路中降低EMI的设计技术。
首先，对于设计开关电源，需要清楚地说明电路要求和规格。电源具有四个重要部分。
- 输入和输出过滤器。
- 驱动器电路以及用于驱动器的相关组件，尤其是控制电路。
- 开关电感器或变压器
- 输出桥和相关的滤波器。
在PCB设计中，所有这些段都需要在PCB中分开，并且需要特别注意。我们将在本文中详细讨论每个部分。
输入和关联过滤器准则
输入和滤波器部分是嘈杂或未经调节的电源线连接到电路的地方。因此，输入滤波电容器需要与输入连接器和驱动器电路之间的距离均匀。必须始终使用较短的连接长度来将输入部分连接到驱动器电路。
上图中突出显示的部分表示滤波电容器的紧密放置。
驱动器电路和控制电路准则
驱动器主要由内部MOSFET组成，或者有时在外部连接开关MOSFET。开关线总是在很高的频率下导通和关断，并产生非常嘈杂的电源线。这部分始终需要与所有其他连接分开。
例如，应将直接通往变压器的高压直流线路（对于反激式SMPS）或直接通往功率电感器的直流线路（基于Buck或Boost拓扑的开关稳压器）分开。
在下图中，突出显示的信号是高压直流线。信号以与其他信号分离的方式进行路由。
开关模式电源设计中最嘈杂的线路之一是驱动器的漏极引脚，无论是交流转直流反激设计，还是基于降压，升压或降压-升压拓扑的低功耗开关电源设计。它总是需要与所有其他连接分开，并且必须非常短，因为这种类型的路由通常会携带非常高频的信号。将此信号线与其他信号线隔离的最佳方法是通过铣削或尺寸层使用PCB切口。
在下图中，显示了隔离的漏极引脚连接，该引脚与光耦合器之间具有安全距离，而且PCB上的切口将消除来自其他布线或信号的任何干扰。
另一个要点是，驱动器电路几乎总是具有非常敏感的反馈或感测线（有时比输入电压感测线，输出感测线多一些），并且驱动器操作完全取决于感测反馈。任何类型的反馈或检测线的长度都应较短，以避免噪声耦合。这些类型的线始终需要与电源线，交换线或任何其他嘈杂的线分开。
下图显示了从光耦合器到驱动器的单独反馈线。
不仅如此，驱动器电路还可以具有控制驱动器电路操作所需的多种类型的组件，例如电容器，RC滤波器。这些组件需要紧密放置在驱动程序中。
开关电感器和变压器指南
开关电感器是继大型电容器之后的所有电源板中最大的可用组件。一种不好的设计是在电感引线之间进行任何形式的连接。这是必不可少的，路由的权力或滤波电感焊盘之间的任何信号。
同样，只要在电源中使用变压器，尤其是在AC-DC SMPS中，此变压器的主要用途就是将输入与输出隔离。主垫和副垫之间需要足够的距离。增大爬电距离的一种最佳方法是使用铣削层施加PCB切口。切勿在变压器引线之间使用任何形式的布线。
输出电桥和滤波器部分的准则
输出桥是一个高电流肖特基二极管，它会根据负载电流进行散热。在某些情况下，需要使用铜平面在PCB本身中创建PCB散热器。散热效率与PCB铜面积和厚度成正比。
PCB中通常有两种类型的铜厚度，分别为35微米和70微米。该厚度较高，较好的热连接和PCB散热区得到缩短。如果PCB是双层的，并且PCB中没有加热空间，则可以使用铜层的两侧，也可以使用公共通孔连接这两个侧。
下图是在底层创建的肖特基二极管的PCB散热器的示例。
肖特基二极管之后的滤波电容器需要非常紧密地放置在变压器或开关电感器两端，以使通过电感器，桥式二极管和电容器的电源环路变得非常短。这样，可以减小输出纹波。
上图是一个从变压器输出到桥式二极管和滤波电容器的短路回路的示例。
减少SMPS PCB布局的接地反弹
首先，接地是必不可少的，将电源电路中的不同接地层分开是另一重要的事情。
从电路的角度来看，开关电源可以为所有组件具有一个公共接地点，但在PCB设计阶段却并非如此。根据PCB设计的观点，接地分为两部分。第一部分是电源接地，第二部分是模拟或控制接地。这两个接地点具有相同的联系，但有很大的不同。与驱动器电路关联的组件使用模拟或控制地。这些组件使用接地平面，该接地平面产生了一个低电流返回路径，另一方面，电源接地端承载了高电流返回路径。功率组件噪声大，如果直接将它们连接在同一地上，则可能导致控制电路中不确定的接地反弹问题。下图显示了模拟和控制电路如何与单层PCB中的PCB其他电源线完全隔离。
这两个部分需要分开，并且应该在特定区域中连接。
如果PCB是双层的，这很容易，例如顶层可以用作控制接地，并且所有控制电路都应在顶层的公共接地层中连接。另一方面，底层可用作电源接地，所有有噪声的组件均应使用该接地层。但是，这两个地是相同的连接，并且在原理图中已连接。现在，为了连接顶层和底层，可以使用过孔在单个位置连接两个接地层。例如，请参见下图–
驱动器的上面部分具有所有与电源滤波器相关的电容器，这些电容器均使用单独称为电源GND的接地层，但驱动器IC的下面部分是所有与控制相关的组件，均使用单独的控制GND。两种接地是相同的连接，但分别创建。然后，两个GND连接都通过驱动器IC连接。
遵循IPC标准
遵循IPC PCB设计标准中的PCB准则和规则。如果设计人员遵循IPC2152和IPC-2221B中描述的PCB设计标准，则这总是将错误机会降到最低。主要记住，走线 的宽度直接影响温度和载流能力。因此，走线的宽度错误会导致温度升高和不良电流。
两条走线之间的间距对于避免不确定的故障或串扰（在大电流高压应用中有时会发生交火）也很重要。IPC-9592B描述了基于电源的PCB设计中电源线之间的建议间距。
感测线的Kelvin连接
开尔文连接是电源板设计中的另一个重要参数，因为测量的准确性会影响控制电路的能力。电源控制电路始终需要某种测量，无论是反馈线还是感测线中的电流感测或电压感测。应该从元件引线进行这种检测，以使其他信号或走线不干扰检测线。开尔文连接有助于实现相同的目的，如果感测线是差分对，则两条走线的长度都必须相同，并且走线应跨组件引线连接。
例如，德州仪器（TI）的电源控制器的PCB设计指南中正确描述了Kelvin连接。
上图显示了使用开尔文连接的正确电流检测。正确的连接是正确的开尔文连接，这对于感测线设计至关重要。该文档中也正确给出了PCB布局。
PCB布局显示了驱动器或控制器IC上10nF和1nF陶瓷电容器之间的紧密连接。Sense线也反映了正确的开尔文连接。内部电源层是一条分离的源极线，它使用多个过孔与相同但分离的源极线连接，以减少噪声耦合。