對於電子工程師而言印刷電路板佈局常是令人頭痛的問題，因為電路板佈局會左右電路特性，佈局不良造成的異常狀況也是最不容易察覺與排除的，藉由不斷的嘗試與驗證，對同一電路相同的元件給予不同的電路佈局，本文將歸納出幾個設計的方向，並對電路板佈局作些簡單的分析。
| 《圖四 Test_1 PCB所測得之過載保護波形》 |
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| 《圖五 Test_1 PCB所測得之輸出電壓波形》 |
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| 《圖六 Test_1 PCB所測得之負載變動波形》 |
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基本印刷電路板佈局原則
以AIC1591同步式降壓脈波寬度調變控制器（Synchronous Buck PWM Controller）為例，應用線路如(圖一)所示。
| 《圖十二 Test_4 PCB測得之過載保護波形》 |
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C1～C4為聚合物電容（Polymer Capacitor），Q1與Q2為N通道MOSFET，滿載輸出電流10A。基本的佈局原則如(圖二)所示。
- 主電流迴路路徑必須盡可能縮短，並給予適當的佈線寬度與對地穿孔數目；
- IC Vin輸入電源須遠離Q1，而OCSET與PHASE電壓取樣點則須靠近Q1；
- 負載接地/IC接地/FB回授接地/COMP回授補償接地應盡量靠近，並遠離Q2源極（Source）；
- C5須盡量靠近IC，R3與R4電阻預留作閘極（Gate）雜訊衰減用，須靠近Q1及Q2。
印刷電路板佈局的影響
為驗證印刷電路板對電路性能的影響，因此製作了八片兩層（除了Test_5與Test_8背層有走線外，其他六片背層均為廣大的接地平面）電路板作測試，編號由Test_1至Test_8，這八片電路板使用相同的零件與相同的零件擺放位置，只有電路的佈線不同；Test_2至Test_7的六片電路板均以Test_1為範本，只更動一小部份，未更動部份以灰色作標示。（測試波形圖中，UGATE為AIC1591第8腳的訊號，Vout為輸出電壓，IL為電感電流）
| 《圖十五 Test_6 PCB測得之輸出電壓波形》 |
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| 《圖十七 Test_7 PCB測得之輸出電壓波形》 |
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過載保護點漂移
AIC1591的過載保護（Over Current Protection）方式如(圖十三)所示。
當Q1導通時，輸出電流會在Q1汲極（D）與源極（S）的導通電阻（RDS_ON）上形成電壓降，若Q1導通電阻為定值，則Q1汲極與源極間的電壓降會隨著輸出電流上升而上升，這個電壓降的偵測點就是IC的OCSET與PHASE兩腳，當Q1導通時的PHASE電壓低於OCSET電壓則觸發過電流保護，計算方式如下：
Test_3與Test_4的電路板佈線刻意將圖十三的A、B兩點與Q1 D、S兩腳距離拉長，電性上雖是同一節點，但A、B兩點間印刷電路板銅箔阻抗將被納入Q1的導通電阻，由(公式一)得知Q1導通電阻上升且R1不變就會造成過載保護點下降，因此由(圖十)與(圖十二)便能發現過載保護電流由Test_1電路的13A分別下降至11A與10A。而Test_2的佈線將AIC1591的電源連接至圖十三的R1再與A點相連，由於AIC1591本身的耗電流會造成R1與A點間電壓下降，因此如(圖八)所示，過載保護電流由Test_1的13A上升至14A。
輸出電壓漣波與雜訊
如(圖十八)所示，Test_6大量刪除對地穿孔會縮減Q1截止Q2導通的電感器放電迴路，而Test_7則縮減Q1導通Q2截止的電感器充電迴路；前者造成Q1截止時的輸出電壓偏低，後者造成Q1導通時的輸出電壓偏低。
如何得知佈線要多寬？對地穿孔數目要多少？(圖十九)、(圖二十)有簡單的說明。
以此應用為例，輸出電流10A，若電感器漣波電流為40％，則最大電流會是12A，若以2盎司銅箔佈線，則寬度須180mil，主電流迴路20mil孔徑之對地穿孔需要6個。
負載變化時的反應速度
Test_5電路板將FB回授取樣點經由背層連接至電感器端，如(圖二十一)與(圖二十三)。FB回授主要反應輸出端變化，故取樣點應靠近輸出端（N3），如Test_5電路將取樣點移至電感器端，負載的快速變化將受到輸出電容器C3與C4的延遲才被偵測到，故AIC1591的反應速度會變慢，與(圖六)相較即可看出。
綜合影響
Test_8將前述所有改變部分歸納在一起。如(圖二十四)，過載保護點因印刷電路板銅箔阻抗的加入而大幅下降，導致啟動時觸發過載保護，輸出電壓因此無法建立。如(圖二十五)與(圖二十六)，輸出電壓漣波與雜訊比其他測試板要多出40mV，負載變化的反應速度變慢之外還有輸出電壓不足與震盪的現象，是個設計失敗的電路板。
在(圖二十七)中將四片電路板作效率上的比較，Test_1與Test_6並沒有太大的差別，Test_7輕載時的效率也不差，但隨著負載電流上升效率卻逐漸下降，Test_8則無論負載電流為何其效率都是最差的，尤其10A滿載時的效率比Test_1低了至少3％。
| 《圖二十二 Test_5 PCB所測得之負載變化波形》 |
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| 《圖二十四 Test_8 PCB所測得之啟動波形》 |
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| 《圖二十五 Test_8 PCB所測得之輸出電壓波形》 |
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| 《圖二十六 Test_8 PCB所測得之負載變化波形》 |
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結語
由這些印刷電路板測試能發現，只要更動電路中的一條線就會造成特性改變，但是在繁雜的線路圖中如何考量線路對整體電路的影響？這就必須先了解電路與元件特性。 以切換式電源轉換器為例，最大的雜訊來源就是MOSFET切換導致電感器反抗電流變化，因此FB輸出端回授訊號與COMP回授補償佈線必須遠離Q1與Q2；為了保持良好的效率與減少電感器充放電形成的電壓變化，電感器的充放電迴路就必須使用更寬的佈線與更多的對地穿孔。
由此可知，為得到良好的電路特性，除了適當的電路、適當的元件、適當的元件佈局外，適當的線路佈局也是重要的影響因素。
---作者為沛亨半導體產品應用工程師---
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