Switching Power Supply PCB Layout 1
　2019年7月19日

電磁干擾

電機設備和電子產品在使用過程中可能產生電磁輻射，因此電子電路的設計，應該既不受外在電磁干擾源的影響，本身也不該成為電磁干擾源，此一設計理念即為所謂的電磁相容性(electromagnetic compatibility, EMC)。
大多數電子設備的EMI是藉由傳導性方式接收(Conduction)，少數則來自無線電頻率之輻射接收(Radiation)。
在數位電路中，最臨限(Most critical)的信號通常最易受到EMI的干擾，例如重置、中斷以及控制線路信號。
在類比電路中，類比低階放大器、信號轉換器、補償電路等，則對雜訊干擾最為敏感。

PCB Layout觀念

一個電源PC板的Layout布局，對一個電源設計的成敗有相當大的影響。
但於現今的設計應用，卻往往被忽略了。
Layout布局有著很重要的角色，特別是對像是功能，電磁干擾(EMI)或是溫度性能等問題。
好的Layout布局是可以減少像EMI濾波器、電磁屏蔽零件的用量，甚至PCB的散熱銅箔空間、縮短研發時程，進而減少成本。
因此如何最佳化你的PCB layout，是我們需要了解的一個基本課題。

切換式電源 (Switch Power)

一個Switch Power通常會包含功率開關(Power switch)、濾波電容(filter capacitors)、磁性元件(magnetics)，以及整流器(rectifier)。透過這些元件將能量由輸入端轉移到輸出端，以獲得所需的輸出。功率開關(Power switch)的工作是快速的導通跟關斷，透過不同的導通跟關斷時間來改變輸出。由於導通時工作在飽和區，導通壓降極低；截止時工作在截止區，無電流通過，因此功耗極低，以致讓整個轉換效率得到提升。這相較於傳統Linear regulator，在體積及效率得到相當大的改善。

Switch Power主要缺點是因為高速切換所產生的電壓 (dv/dt) 及電流 (di/dt) 的變化，會產生電磁干擾問題。

轉換器 (Converter)

轉換器的種類擁有很多架構，存在非隔離設計和隔離型驅動電源之分。一般為了安全，電壓超過直流電42.5V，就會需要變壓器隔離。
非隔離設計因不使用變壓器，而具有尺寸、重量、成本方面的優勢。一些常見的應用會將功率開關跟整個控制線路放在同一個IC內，獲得更有效的空間節省。
隔離電源的輸入迴路和輸出迴路之間沒有直接的電氣連接，輸入和輸出之間是絕緣的高阻態，沒有電流迴路。在非隔離電源的電感磁性元件，被分開同時作耦合，成為所謂的變壓器。

非隔離電源：輸入和輸出之間有直接的電流迴路，輸入和輸出之間是共地的。
隔離電源：電源的輸入迴路和輸出迴路之間沒有直接的電氣連接，輸入和輸出之間是絕緣的高阻態，沒有電流迴路。

常見的非隔離架構切換式電源<
降壓型 (Buck ; Step-Down)
升壓型 (Boost ; Step-Up)
升降壓型 (Buck Boost)

常見的隔離架構切換式電源
順向式 (Forward ; 由Buck演化而來)
反向式 (Flyback ; 由Buck-Boost演化而來)
推晚式 (Push-Pull ; 源於Basic Forward)
半橋式 (Half-Bridge ; 源於Basic Forward)
全橋式 (Full-Bridge ; 源於Basic Forward)

在這特別提一下，多出現在工業用應用的場合，有個應用叫Inverter (逆變器；或稱變頻器) ，屬於大功率的應用，架構上使用電感器而非變壓器，因此以前面所提的判斷方式應屬非隔離架構，但其實因其取電通常來自高壓電力網、高壓電池或是高壓太陽能板，所以還是需要做隔離以確保操作人員的安全，在這應用上隔離部分則會在人機介面間去完成，確保人員不直接接觸高壓導致危險。

Layout準備
第一件事是分辨出那些是只要的 ”功率元件”

濾波電容
       並聯於輸入電容上，用於高頻成分的濾除；這電容必須擺放靠近切換迴路輸入。
功率開關
整流二極體
電感器或變壓器


第二件事是分辨電源路徑，重要的電流迴路，切換與非切換的迴路

切換迴路 (Switching Loop)
   功率開關迴路及整流迴路。

非切換迴路 (Non-Switching Loop)
   濾波電容迴路至其負載端
       在切換器輸入，由輸入端至輸入電容 Cin 再回到輸入端。
       在切換器輸出，由輸出電容 Cout 至輸出負載再回到輸出電容端。

這些迴路都需要縮小其迴路面積(area)及範圍(circle)，加寬導線線徑降低阻抗(Low impedance)

切換迴路在一個切換電源是最重要的部分，因為切換迴路會產生較大的電壓 (high dv/dt) 或是電流 (high di/dt) 變化。因此，在開始擺放跟走線時，要先將這部分規劃跟考慮。

縮短迴路面積，電流返回路徑盡可能靠近電流流出路徑，電流一去一回，使這兩相反的磁場可以互相抵消，可以減少電磁干擾。

在控制器的接線部分，盡可能做到低阻抗或是足夠寬的電流接線。

但不建議拉長或加大切換迴路銅箔，因為它形同一根天線會產生電磁干擾。


第三件事是分辨 ”控制線路”

有可能是高集成的控制器或是控制器加驅動器
訊號線須遠離大電流迴路
縮短驅動器輸出到功率開關迴路面積，以提供抗干擾能力
針對高阻抗點，像是回授信號腳。它很敏感，因此接線需要非常短。同時包含所有的信號線，要遠離High dv/dt的切換路徑，避免受到干擾。
分開信號地跟功率電流地
分開所有信號用地線，特別是判斷準位極低的信號用地線

特別一提，這些佈局上的注意事項，單層版、多層板應用都適用。