對于開關模式轉換器而言，出色的印制電路板(PCB)布局對獲得最佳系統性能至關重要。若PCB設計不當，則可能造成以下后果：對控制電路產生太多噪聲而影響系統的穩定性；在PCB跡線上產生過多損耗而影響系統效率；造成過多的電磁干擾而影響系統的兼容性。
ZXLD1370是一款多拓撲開關模式LED驅動控制器，每個不同的拓撲結構中都嵌有外部開關器件。該LED驅動器適用于降壓、升壓或降壓-升壓模式。
本文將以ZXLD1370器件為例，討論PCB設計的考慮因素并提供相關建議。
考慮跡線寬度
對于開關模式的電源電路，主開關和相關功率器件載有大電流。用于連接這些器件的跡線具有與其厚度、寬度和長度相關的電阻。電流流經跡線時產生的熱量不僅會降低效率，而且會使跡線的溫度上升。為了限制溫升，確保跡線寬度足以應對額定開關電流非常重要。
以下方程顯示了溫升與跡線橫截面積之間的關系。
內部跡線：I=0.024×dT0.44×A0.725
外部跡線：I=0.048×dT0.444×A0.725
其中：I=最大電流(A)；dT=高于環境的溫升(℃)；A=橫截面積(mil2)。
表1顯示了相對電流容量的最小跡線寬度。這是基于1oz/ft2 (35μm)銅箔在跡線溫度升高20oC下的統計結果。
表1：外部跡線寬度與電流容量(20oC溫升)。
對于用表貼器件設計的開關模式功率轉換器應用而言，PCB上的銅面亦可用作功率器件的散熱器。因傳導電流引起的跡線溫升應被降到最低。建議把跡線溫升限制在5oC以下。
表2顯示了相對電流容量的最小跡線寬度。這是基于1oz/ft2 (35μm)銅箔在跡線溫度升高5oC下的統計結果。
表2：外部跡線寬度與電流容量(5oC溫升)。
考慮跡線布局
必須合理設計跡線布局，才能達到ZXLD1370 LED驅動器的最佳性能。以下指引可以讓基于ZXLD1370的應用設計無論是在降壓模式還是升壓模式下都能獲得最大性能。
降壓模式
圖1顯示了ZXLD1370在降壓模式下工作的典型原理圖。主要開關回路由Q1、D1、L1及輸入去耦電容C3、由LED形成的負載、輸出濾波電容C5和檢測電阻組成。
圖1：ZXLD1370降壓LED驅動器的原理圖。
C2是ZXLD1370的去耦電容電源軌。要保障ZXLD1370的穩定工作，C3應以最短的PCB跡線長度，直接與ZXLD1370的VIN和GND腳相連。
為說明開啟和關閉階段的電流方向，圖2對原理圖進行重新繪制，將開關電路放在了原理圖的右邊。
圖2：ZXLD1370降壓LED驅動器的開關電流回路。
在開啟階段(Q1開啟)，關閉階段遺留的電感電流將流過主開關Q1。開關電流路徑的突變將使導線(在圖中以紫色突出顯示，即Q1漏極和D1陰極之間的導線、Q1源極和C3之間的導線以及D1和C3之間的導線)內產生較大的電流變化(di/dt)。
在關閉階段(Q1關閉)，開啟階段存儲的電感電流將流過續流整流器D1。開關電流路徑的突變將使紫色突出顯示的相同導線內產生較大的電流變化(di/dt)。
由開關產生的尖峰電壓的大小與突出顯示的跡線的電阻和寄生電感有關。要把開關產生的尖峰電壓降到最低，就需要確保這些跡線夠短、夠寬。
圖3顯示了具備所有功率器件的降壓PCB布局。該布局示例具有以下特點：盡可能使Q1、D1和C3之間的跡線達到最短，這有助于減少跡線的電阻和寄生電感產生的噪聲；所有跡線都位于PCB的同一側，這有助于減少任何經由過孔產生的噪聲。
圖3：ZXLD1370降壓LED驅動器的PCB布局示例。
升壓模式
圖4顯示了ZXLD1370在升壓模式下工作的典型原理圖。主要開關回路由Q1、D1、感應電阻R1、L1及輸入去耦電容C3、由LED形成的負載和輸出濾波電容器C5組成。
圖4：ZXLD1370升壓LED驅動器的原理圖。
C2是ZXLD1370的電源軌去耦電容。為確保ZXLD1370穩定工作，C3應以最短的PCB跡線長度，直接與ZXLD1370的VIN的GND腳相連。
為說明開啟及關閉階段的電流方向，圖5對原理圖進行重新繪制，將開關電路放在了原理圖的右邊。
圖5：ZXLD1370升壓LED驅動器的開關電流路徑。
在開啟階段(Q1開啟)，關閉階段存儲的電感電流將流過主開關Q1。開關電流路徑的突變將使導線(在圖中以紫色突出顯示，即Q1漏極和D1陰極之間的導線、Q1源極和C5之間的導線以及D1和C5之間的導線)內產生較大的電流變化(di/dt)。
在關閉階段(Q1關閉)，開啟階段保存的電感電流將通過不受限制的整流器D1。開關電流路徑的突然轉變亦會使同一組導體內的高電流(di/dt)發生改變，在圖中以紫色顯示。
由開關產生的尖峰電壓的大小與突出顯示的跡線的電阻和寄生電感有關。要把開關產生的尖峰電壓降到最低，就要確保這些跡線夠短、夠寬。
圖6顯示了具備所有功率器件的升壓PCB布局。該布局示例具有以下特點：盡可能使Q1、D1和C5之間的跡線達到最短，這有助于減少跡線的電阻及寄生電感產生的噪聲；所有跡線都位于PCB的同一側，這有助于減少經由任何過孔產生的噪聲。
圖6：ZXLD1370升壓LED驅動器的PCB布局示例。
本文小結
對于所有開關穩壓器而言，精心的PCB布局對確保良好工作和降低輻射和傳導噪聲都至關重要。ZXLD1370在任何工作模式下都是如此。通過把布線長度減到最低，就可以避免產生較大的di/dt。打造出色PCB布局的關鍵在于了解電流路徑并借此進行設計。設計人員亦可計算出如何進一步利用跡線圍繞功率器件，以獲得良好的散熱布局。 |
