【導讀】開關穩壓器或功率變換器電路的開關節點是關鍵的傳導路徑，在進行PCB布局時需要特別注意。 該電路節點將一個或多個功率半導體開關（例如MOSFET或二極管）連接到磁能存儲設備（例如電感或變壓器繞組），其開關信號包含了快速切換的dV/dt電壓和dI/dt電流，它們很容易耦合到周圍的電路上并產生噪聲問題，可能導致PCB和系統無法滿足嚴格的電磁兼容性（EMC）要求。
本文將介紹最基本的開關節點波形，助您了解如何在PCB路由時確定適當的開關（SW）節點走線尺寸，并了解開關節點中電場（E場）和磁場（H場）產生的近場耦合效應。
開關節點波形
在開始這部分關鍵走線的PCB設計之前，首先要了解開關節點上的電流和電壓波形。尤其需要在布局之前先查看和了解開關電壓、時變電流和開關頻率的波形。
我們以MPS的降壓（buck）變換器MPQ4430為例進行說明（見圖1）。降壓變換器MPQ4430集成了上管和下管FET，能夠提供高達3.5A的負載電流。
圖1: MPQ4430降壓變換器示例
在這個示例中，我們利用MPS的DC/DC在線設計師工具將MPQ4430穩壓器設計為從12V降壓至3.3V，同時提供3A的最大負載電流。圖1中的開關節點以紅色標記為VSW。請注意，本文中的“VSW”和“the SW 節點”都表示開關節點，可互換使用。
圖2中顯示了在其開關節點上測得的開關電壓波形和電感電流波形。電壓波形以500kHz的頻率在12V和略低于0V的電壓之間切換，但上升/下降時間則在極低的納秒范圍以內。如此大的dV/dt產生了噪聲頻譜高達數十至數百兆赫茲的強電場（E場）。
圖2: 降壓變換器的開關節點波形
由于降壓變換器在連續導通模式下工作，因此電感電流始終為正，并且永不會達到0A。電流在降壓變換器導通期間上升至約3.4A，在關斷周期中降至約2.6A。平均3A的電流提供給負載。 電感阻止了電流的快速變化，因此電流波形不會像開關電壓那樣具有陡峭的過渡邊沿。盡管dI / dt不太大，但在500kHz的開關頻率下仍存在紋波電流，會產生強時變磁場（H場）。對附近對該頻率范圍敏感的電路來說，該磁場可能造成潛在問題。
盡量縮短開關節點走線長度
開關節點走線需要在短距離內承載相對較大的時變電流。電感應該放置在非常靠近穩壓器SW引腳的位置。接線越短，來自高dV / dt波形的高頻電場和來自電感紋波電流的低頻磁場耦合就越小。
圖3顯示了開關節點的路由示例，其中電感靠近穩壓器放置。設計PCB布局時，要注意在變換器和電感之間預留一個小的區域，以用于那些必須連接到開關節點的其他組件（例如小型自舉電容）。但布局原則是盡可能縮短SW的走線長度。
圖3：4層PCB上3A降壓變換器的開關節點布局
圖3顯示出自舉電容器的放置原則是使其最長邊垂直于SW走線。這樣可以減小SW引腳和電感之間不必要的距離。盡管電容將電感稍微推遠了一點，但仍可以實現大約3mm至4mm的超短走線。具體VSW走線長度取決于應用和組件大小，在某些情況下可能會長于本示例。
確定開關節點走線尺寸以滿足電流需求
通常，從穩壓器SW引腳到電感輸入側的走線要比PCB上的其他信號走線更寬一些。我們建議采用寬走線或覆銅，并滿足以下要求：
1. 銅厚度和走線寬度應足夠，以滿足電流需求。
2. 走線長度應盡可能短，以最大程度地減少與其他電路產生近場耦合。
SW節點走線寬度對于所需電感電流的處理至關重要。在上述的降壓變換器示例中，提供給電感的平均電流與平均輸出電流（3A）相同。設計工程師應首先指定最大電流條件，然后將其用于估算SW節點的走線寬度。
在我們的設計示例中，假設一個4層PCB在頂層、底層和內層使用了1盎司的銅（參見圖4）。 開關穩壓器電路在頂層放置并路由，接地（GND）返回平面在頂層以下9.26密耳（約10密耳）的位置。我們可以通過許多現成的計算工具來確定電流導體的尺寸。這些工具可以在PCB CAD軟件或者PCB制造商的網站上找到。
圖4: 3A降壓變換器中采用的4層堆疊
如果設計的最大負載為3A，并需要將PCB的溫升控制在10°C以內，則通過計算可以得出，采用這種4層堆疊，50密耳的導體寬度應可以承載接近3.5A的電流。因此，在該設計中，50密耳的開關節點走線寬度是一個較好的選擇，它可以提供高于3A最大負載的裕度。當然，根據具體PCB的允許溫升可以做出不同的權衡。盡管走線尺寸與電感焊盤一樣寬很常見，但是從這個示例中我們可以看出，更窄的走線也完全能夠滿足電流和散熱的要求。
請注意，電流導體尺寸的計算應遵循最新的IPC2152標準，而不是老版本的IPC2221。這對多層PCB尤其重要。基于IPC2152的計算更加精確，而且考慮了PCB厚度、PCB導熱率、走線厚度以及走線到銅平面的距離等諸多因素。
SW節點的電場和磁場
開關節點走線由參考平面上方的PCB走線組成，可以看作是微帶線的超短版本，尤其是在高頻下。微帶線阻抗可控，在高速傳輸線應用中用于數字、高速模擬和射頻（RF）信號的傳輸。盡管開關節點和微帶傳輸線在應用中傳導的預期信號不同，但它們的幾何結構對于時變電場和磁場仍表現出相似的特性。
圖5顯示了SW走線上的開關電壓和時變電流所產生的電場和磁場。SW走線（寬度w）放置在返回平面上方高度為h的位置。電場線從SW走線的頂部、底部和側面延伸出來。最強電場（尤其是在高頻下）集中在走線底部和邊緣最接近返回平面的位置。
圖5: 開關節點的電場和磁場
在高頻之下，電流出現在電場線終止于返回平面的地方。為了更好地控制電場并減少寄生近場耦合，應盡可能縮短返回平面和SW走線之間的距離（h），并盡可能加大SW走線與周圍電路之間的距離。
SW走線中的紋波電流會在走線周圍產生時變磁場。來自磁場的磁通量可以通過電路的互感耦合到附近的敏感電路中。與電場類似，限制磁場的最佳方法是最小化h，使返回平面盡可能靠近SW走線，同時增加SW走線與周圍電路之間的距離。靠近SW節點放置一個專用的GND返回平面將能夠提供良好的磁場抑制能力。
結論
對任何開關穩壓器或功率變換器電路，SW節點的布局都需要認真對待。了解SW節點波形、確定合理的SW走線尺寸并制定策略最大程度地減少近場耦合，這些都非常重要。
首先，我們要充分了解開關電壓波形、電流波形和開關頻率。然后根據最大電流需求確定SW走線寬度，并盡可能縮短SW走線長度。最后，在SW節點、周圍的IC和電路之間留出足夠的間距，以最大程度地減少近場耦合。當采用多層PCB堆疊時，始終將GND返回平面直接置于SW走線下方，并確保走線盡可能靠近GND平面。這將進一步降低來自SW節點的電場和磁場產生的近場耦合。
設計PCB布局時，遵循上述原則將有助于實現更好的EMC設計！
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