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，並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和略低於0V的電壓之間切換，但上升/下降時間則在極低的納秒範圍以內。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

 

由於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
，並且永不會達到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）。對附近對該頻率範圍敏感的電路來說，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
，以用於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於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走線長度取決於應用和組件大小，在某些情況下可能會長於本示例。

 

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
，並滿足以下要求：

 

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節點走線寬度對於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，然後將其用於估算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並路由，接地（GND）返回平麵在頂層以下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製造商的網站上找到。 

 

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，並需要將PCB的溫升控製在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，它可以提供高於3A最大負載的裕度。當然，根據具體PCB的(de)允(yun)許(xu)溫(wen)升(sheng)可(ke)以(yi)做(zuo)出(chu)不(bu)同(tong)的(de)權(quan)衡(heng)。盡(jin)管(guan)走(zou)線(xian)尺(chi)寸(cun)與(yu)電(dian)感(gan)焊(han)盤(pan)一(yi)樣(yang)寬(kuan)很(hen)常(chang)見(jian)，但(dan)是(shi)從(cong)這(zhe)個(ge)示(shi)例(li)中(zhong)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，更(geng)窄(zhai)的(de)走(zou)線(xian)也(ye)完(wan)全(quan)能(neng)夠(gou)滿(man)足(zu)電(dian)流(liu)和(he)散(san)熱(re)的(de)要(yao)求(qiu)。

 

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。基於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麵的距離等諸多因素。

 

SW節點的電場和磁場

 

開關節點走線由參考平麵上方的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於數字、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於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）放置在返回平麵上方高度為h的位置。電場線從SW走線的頂部、底部和側麵延伸出來。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麵的位置。 

 

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於返回平麵的地方。為了更好地控製電場並減少寄生近場耦合，應盡可能縮短返回平麵和SW走線之間的距離（h）
，並盡可能加大SW走線與周圍電路之間的距離。

 

SW走(zou)線(xian)中(zhong)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)會(hui)在(zai)走(zou)線(xian)周(zhou)圍(wei)產(chan)生(sheng)時(shi)變(bian)磁(ci)場(chang)。來(lai)自(zi)磁(ci)場(chang)的(de)磁(ci)通(tong)量(liang)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)電(dian)路(lu)的(de)互(hu)感(gan)耦(ou)合(he)到(dao)附(fu)近(jin)的(de)敏(min)感(gan)電(dian)路(lu)中(zhong)。與(yu)電(dian)場(chang)類(lei)似(si)
，限(xian)製(zhi)磁(ci)場(chang)的(de)最(zui)佳(jia)方(fang)法(fa)是(shi)最(zui)小(xiao)化(hua)h，使返回平麵盡可能靠近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返回平麵將能夠提供良好的磁場抑製能力。

 

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走線尺寸並製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。然後根據最大電流需求確定SW走線寬度，並盡可能縮短SW走線長度。最後，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返回平麵直接置於SW走線下方，並確保走線盡可能靠近GND平麵。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於實現更好的EMC設計！

 

 

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