【导读】开关稳压器或功率变换器电路的开关节点是关键的传导路径，在进行PCB布局时需要特别注意。 该电路节点将一个或多个功率半导体开关（例如MOSFET或二极管）连接到磁能存储设备（例如电感或变压器绕组），其开关信号包含了快速切换的dV/dt电压和dI/dt电流，它们很容易耦合到周围的电路上并产生噪声问题，可能导致PCB和系统无法满足严格的电磁兼容性（EMC）要求。
本文将介绍最基本的开关节点波形，助您了解如何在PCB路由时确定适当的开关（SW）节点走线尺寸，并了解开关节点中电场（E场）和磁场（H场）产生的近场耦合效应。
开关节点波形
在开始这部分关键走线的PCB设计之前，首先要了解开关节点上的电流和电压波形。尤其需要在布局之前先查看和了解开关电压、时变电流和开关频率的波形。
我们以MPS的降压（buck）变换器MPQ4430为例进行说明（见图1）。降压变换器MPQ4430集成了上管和下管FET，能够提供高达3.5A的负载电流。
图1: MPQ4430降压变换器示例
在这个示例中，我们利用MPS的DC/DC在线设计师工具将MPQ4430稳压器设计为从12V降压至3.3V，同时提供3A的最大负载电流。图1中的开关节点以红色标记为VSW。请注意，本文中的“VSW”和“the SW 节点”都表示开关节点，可互换使用。
图2中显示了在其开关节点上测得的开关电压波形和电感电流波形。电压波形以500kHz的频率在12V和略低于0V的电压之间切换，但上升/下降时间则在极低的纳秒范围以内。如此大的dV/dt产生了噪声频谱高达数十至数百兆赫兹的强电场（E场）。
图2: 降压变换器的开关节点波形
由于降压变换器在连续导通模式下工作，因此电感电流始终为正，并且永不会达到0A。电流在降压变换器导通期间上升至约3.4A，在关断周期中降至约2.6A。平均3A的电流提供给负载。 电感阻止了电流的快速变化，因此电流波形不会像开关电压那样具有陡峭的过渡边沿。尽管dI / dt不太大，但在500kHz的开关频率下仍存在纹波电流，会产生强时变磁场（H场）。对附近对该频率范围敏感的电路来说，该磁场可能造成潜在问题。
尽量缩短开关节点走线长度
开关节点走线需要在短距离内承载相对较大的时变电流。电感应该放置在非常靠近稳压器SW引脚的位置。接线越短，来自高dV / dt波形的高频电场和来自电感纹波电流的低频磁场耦合就越小。
图3显示了开关节点的路由示例，其中电感靠近稳压器放置。设计PCB布局时，要注意在变换器和电感之间预留一个小的区域，以用于那些必须连接到开关节点的其他组件（例如小型自举电容）。但布局原则是尽可能缩短SW的走线长度。
图3：4层PCB上3A降压变换器的开关节点布局
图3显示出自举电容器的放置原则是使其最长边垂直于SW走线。这样可以减小SW引脚和电感之间不必要的距离。尽管电容将电感稍微推远了一点，但仍可以实现大约3mm至4mm的超短走线。具体VSW走线长度取决于应用和组件大小，在某些情况下可能会长于本示例。
确定开关节点走线尺寸以满足电流需求
通常，从稳压器SW引脚到电感输入侧的走线要比PCB上的其他信号走线更宽一些。我们建议采用宽走线或覆铜，并满足以下要求：
1. 铜厚度和走线宽度应足够，以满足电流需求。
2. 走线长度应尽可能短，以最大程度地减少与其他电路产生近场耦合。
SW节点走线宽度对于所需电感电流的处理至关重要。在上述的降压变换器示例中，提供给电感的平均电流与平均输出电流（3A）相同。设计工程师应首先指定最大电流条件，然后将其用于估算SW节点的走线宽度。
在我们的设计示例中，假设一个4层PCB在顶层、底层和内层使用了1盎司的铜（参见图4）。 开关稳压器电路在顶层放置并路由，接地（GND）返回平面在顶层以下9.26密耳（约10密耳）的位置。我们可以通过许多现成的计算工具来确定电流导体的尺寸。这些工具可以在PCB CAD软件或者PCB制造商的网站上找到。
图4: 3A降压变换器中采用的4层堆叠
如果设计的最大负载为3A，并需要将PCB的温升控制在10°C以内，则通过计算可以得出，采用这种4层堆叠，50密耳的导体宽度应可以承载接近3.5A的电流。因此，在该设计中，50密耳的开关节点走线宽度是一个较好的选择，它可以提供高于3A最大负载的裕度。当然，根据具体PCB的允许温升可以做出不同的权衡。尽管走线尺寸与电感焊盘一样宽很常见，但是从这个示例中我们可以看出，更窄的走线也完全能够满足电流和散热的要求。
请注意，电流导体尺寸的计算应遵循最新的IPC2152标准，而不是老版本的IPC2221。这对多层PCB尤其重要。基于IPC2152的计算更加精确，而且考虑了PCB厚度、PCB导热率、走线厚度以及走线到铜平面的距离等诸多因素。
SW节点的电场和磁场
开关节点走线由参考平面上方的PCB走线组成，可以看作是微带线的超短版本，尤其是在高频下。微带线阻抗可控，在高速传输线应用中用于数字、高速模拟和射频（RF）信号的传输。尽管开关节点和微带传输线在应用中传导的预期信号不同，但它们的几何结构对于时变电场和磁场仍表现出相似的特性。
图5显示了SW走线上的开关电压和时变电流所产生的电场和磁场。SW走线（宽度w）放置在返回平面上方高度为h的位置。电场线从SW走线的顶部、底部和侧面延伸出来。最强电场（尤其是在高频下）集中在走线底部和边缘最接近返回平面的位置。
图5: 开关节点的电场和磁场
在高频之下，电流出现在电场线终止于返回平面的地方。为了更好地控制电场并减少寄生近场耦合，应尽可能缩短返回平面和SW走线之间的距离（h），并尽可能加大SW走线与周围电路之间的距离。
SW走线中的纹波电流会在走线周围产生时变磁场。来自磁场的磁通量可以通过电路的互感耦合到附近的敏感电路中。与电场类似，限制磁场的最佳方法是最小化h，使返回平面尽可能靠近SW走线，同时增加SW走线与周围电路之间的距离。靠近SW节点放置一个专用的GND返回平面将能够提供良好的磁场抑制能力。
结论
对任何开关稳压器或功率变换器电路，SW节点的布局都需要认真对待。了解SW节点波形、确定合理的SW走线尺寸并制定策略最大程度地减少近场耦合，这些都非常重要。
首先，我们要充分了解开关电压波形、电流波形和开关频率。然后根据最大电流需求确定SW走线宽度，并尽可能缩短SW走线长度。最后，在SW节点、周围的IC和电路之间留出足够的间距，以最大程度地减少近场耦合。当采用多层PCB堆叠时，始终将GND返回平面直接置于SW走线下方，并确保走线尽可能靠近GND平面。这将进一步降低来自SW节点的电场和磁场产生的近场耦合。
设计PCB布局时，遵循上述原则将有助于实现更好的EMC设计！
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