一、DC-DC 电源简介

DC-DC 电源转换器是一种将一种直流电压转换为另一种直流电压的装置。根据拓扑结构的不同，常见的类型包括：

• Buck（降压型）

• Boost（升压型）

• Buck-Boost（升降压型）

• SEPIC、Cuk、Flyback 等复杂拓扑

每种拓扑对 PCB 设计都有特定的要求，但总体设计原则是一致的，关键在于高频噪声控制、电流路径优化和热设计处理。

二、关键设计目标概述

在 PCB 设计中，DC-DC 电源部分的目标包括：

1. 降低 EMI 与噪声

2. 控制回路面积以最小化干扰

3. 良好的接地系统

4. 高效的热管理

5. 高可靠性与制造兼容性

下面分要点逐一解析。

三、布局设计关键要点

1. 最短电流路径原则

在开关电源中，存在三个关键电流回路：

• 输入回路：VIN → MOSFET → GND

• 输出回路：SW → 电感 → 输出电容 → GND

• 开关回路（高频电流路径）

这些路径应尽量短、宽、直接，以减少电感、电阻和辐射干扰。

2. 功率器件优先靠近布置

MOSFET、肖特基二极管、电感、输入输出电容应靠近摆放，并形成闭合的电流环。特别是高频电流环（如 MOSFET 与输入电容之间的路径），其面积必须最小化。

3. 分层布局

推荐采用多层 PCB，其中：

• 顶层布置关键功率器件与信号走线

• 中间层为完整地平面和电源平面

• 底层可走信号线与辅助电源

这样可形成低阻抗的回流路径，降低 EMI。

四、走线设计重点

1. 走线宽度与电流容量匹配

一般推荐走线电流密度为：

1A 需要约 10mil（0.254mm）宽的铜线（1 oz 铜厚）

功率路径应加粗，必要时可铺铜或加铜箔增强。

2. 避免 90 度转角

电流转弯处容易集中电场，应使用 45 度转角或圆弧，减少反射和电场集中问题。

3. 高频信号与敏感信号隔离

SW 节点（MOSFET 与电感之间）为高速开关节点，辐射强，应远离控制信号（如 FB、COMP、EN），并避免共用回流路径。

五、地平面设计原则

1. 单点接地与分区接地

将功率地（PGND）和信号地（AGND）分区布局，在适当位置（如控制 IC 下方的地引脚）进行单点连接，避免“地环路”导致的信号干扰。

2. 完整地面层

中层设完整地面，有利于形成低阻抗回流路径，减少地弹噪声（Ground Bounce）。

3. 地回流路径最小化

敏感信号（如反馈电压）必须有清晰、独立的地回流路径，避免高频功率回路干扰其参考地。

六、电磁兼容（EMC）设计要点

1. 开关节点处理

SW 节点应控制在最小面积，可使用小封装器件，尽量避免暴露铜皮。使用 RC 吸收器或小电阻串联可缓解尖峰。

2. 输入滤波与 π 型网络

输入端加入 LC 或 π 型滤波器，有助于抑制传导干扰。应注意电感饱和电流选择和滤波电容的 ESR 匹配。

3. 肖特基二极管位置靠近 MOSFET

肖特基可减少反向恢复电流，降低二极管关断时的 EMI，应尽量靠近功率开关布局。

七、热管理与功耗控制

1. 铜皮散热

功率器件（如 MOSFET、二极管、电感）应连接大面积铜皮。尤其是 MOSFET 的 Drain 和 Pad 区域，应打多个过孔接到底层散热铜面。

2. 过孔热导通

多个过孔串联内层铜皮与地层，有助于热传导扩散。推荐使用 0.3~0.5mm 直径的过孔，且均匀分布。

3. 热仿真与温升评估

复杂设计可借助热仿真软件（如 ANSYS、Allegro）分析热点区域，及时优化布局或器件参数。

八、反馈与控制回路设计建议

1. 反馈电阻放置位置

靠近控制芯片的 FB 脚布置，避免引线过长导致误差和干扰。

2. 补偿网络注意走线

COMP 电容和电阻走线应避免靠近高频节点。参考地必须清洁，避免电压抖动影响控制精度。

3. 软启动与保护电路合理布线

EN、SS、OVP 等引脚信号要求稳定，应靠近芯片、地连接明确，避免浮空。

九、元器件选型配合 PCB 设计

1. 封装选择与热阻考虑

例如选择 PowerPAK、DFN 等低热阻封装，有利于降低器件温升。

2. 电感规格影响 PCB 面积

贴片电感的 DCR 和饱和电流决定效率和体积，应平衡选择，避免过热或效率损失。

3. 电容类型匹配

输入输出电容使用陶瓷电容 + 高频铝电解或固态电容并联，兼顾 ESR 和纹波抑制能力。

十、DC-DC 模块化设计趋势

当前很多设计转向集成模块，如：

• 功率模块（带封装电感）

• 集成式 PWM 控制器

• 数字电源管理模块（PMBus）

这类方案可以减少 PCB 设计难度，提升可靠性，但也需要在 PCB 上正确处理散热、去耦和接地问题。

结语

DC-DC 电源的 PCB 设计是一门涉及电磁场、电路理论、材料热力学等多学科交叉的技术。一个优秀的电源设计不仅关乎能效，更关乎系统的稳定运行与EMC合规。本文所列关键点，包括布局优化、走线合理、接地管理、电磁兼容与热设计，是工程师必须深入掌握的基本功。

通过不断实践、仿真验证和实测优化，才能打造性能优异、稳定可靠的 DC-DC 电源系统。