本章详细介绍Class-D放大器的PCB布局和热设计。精心的PCB布局对Class-D实现高性能至关重要——再优秀的原理图设计，没有良好的布局也难以发挥效果。
16.1 不良布局的后果
不良PCB布局可导致：
- EMI发射和敏感性
- 开关波形振铃和过冲
- 过大电压降
- 串扰
- 热问题
- THD和噪声增加
16.2 PCB布局规划
16.2.1 元件放置三要素
- 信号流向：从输入到输出的逻辑路径
- 噪声耦合：隔离噪声源和敏感电路
- 热考虑：散热路径规划
16.2.2 功能模块分组
- 音频输入电路
- PWM控制电路
- 栅极驱动级
- 开关功率级
- 辅助电路
- 故障处理电路
- 电压调节器（DCDC + LDO）
16.2.3 就近优先原则
数字IC：旁路电容最优先靠近Vcc和GND引脚（最小化瞬态电流环路）
模拟IC（运放）：
- 旁路电容最高优先级靠近供电引脚
- 反馈网络（特别是反相输入端）需最短走线
- 反相输入端是高阻抗节点——最小化铜面积和寄生电容
- 反相端不需要的电容可导致响应峰值甚至振荡
16.2.4 旁路电容布局
- 不同容值/类型的电容有不同自谐振频率
- 宽带去耦网络：并联十年间距的陶瓷电容（如1μF、0.1μF、0.01μF）
- 最小容值电容应最靠近IC供电引脚（最高自谐振频率）
- 旁路电容与IC同面放置，消除过孔电感
- 铝电解电容用于低频旁路/储能，陶瓷电容用于高频
16.3 开关电流限制
16.3.1 栅极驱动环路
栅极电流形成独立环路，不应与开关电流混合：
- 正确布局：栅极驱动电流仅在驱动器输出→栅极电阻→栅极→源极→驱动器返回端之间流动
- 错误布局：开关电流流经栅极返回路径的公共走线，在走线阻抗上产生电压叠加到 上
16.3.2 半桥功率级电流限制
所有高频开关电流应限制在Class-D功率级内部的小环路中：
- 正向电流路径： → 上管S1 → 电感L4 → 扬声器 → 地G1 →
- 续流路径：电感 → 扬声器 → G1 → 下管S2（体二极管/沟道）→ → 电感
关键发现：
- 供电电流 、 在L3处抵消——理想情况下”静默”地平面无开关电流
- 实际中L1/L2不能无限大，需支持音频频率电流
- L1/L2的低通特性恰好允许低频支持、阻断高频开关电流
- 低压频率处更大的供电纹波 ↔ 反馈环路更高的低频增益（更好的PSRR）
16.3.3 DCDC转换器电流限制
Buck型DCDC转换器（+7V、-7V、+12V）具有脉动输入电流：
- 在输入路径添加电感
- 使开关电流在本地小环路内循环
16.4 噪声敏感与噪声源分区
噪声敏感功能：
- 音频输入电路
- PWM控制电路（特别是三角波发生器）
噪声生成功能：
- 栅极驱动级
- 开关功率级
16.5 共阻抗与星形接地
16.5.1 共阻抗问题
两个放大器共享地走线时，通道A的电流在公共地阻抗上产生电压降，影响通道B的参考地电位——产生串扰。
示例：CH2（攻击通道）±1A地返回电流通过10mΩ地阻抗 → ±10mV差分 → CH1误差放大器放大×10 → ±100mV输出误差
16.5.2 星形接地
每个通道的地返回路径独立连接到电源参考地：
- CH2的地电流不影响CH1的地电位
- 有效消除通道间串扰
16.6 开关节点屏蔽
争议：开关节点下方是否保留完整地平面？
- 保留：提供本地噪声返回路径，屏蔽电感E场，降低EMI
- 移除：减少开关节点对地电容，降低 损耗
研究结论（Wyatt & Sandler, 2022）：保留完整地平面的净收益略优于切割。可通过增大层间距来减小电容。
16.6.1 开关节点铜面积优化
- 最小化高 节点的铜面积 → 减小电容和E场
- 免费优化：交换自举二极管和限流电阻位置——将电阻连接到二极管阳极（非开关节点端），减少高 区域铜面积
16.7 LC滤波器布局
电感磁场（B场）在500kHz开关频率处有强时变分量：
- 分布式气隙磁芯（铁粉环、复合芯）：杂散B场较低
- 集中气隙磁芯（铁氧体）：杂散B场较高
- 螺线管/空芯：B场发射最高，通常不适合Class-D
16.8 PCB层叠设计
四层PCB（最低推荐）
| 层 | 功能 |
|---|---|
| 顶层 | 信号走线 + 地填充 |
| 第2层 | 完整地平面 |
| 第3层 | 直流电源 + 地填充 |
| 底层 | 信号走线 + 地填充 |
六层PCB（更优）
增加第4层电源 + 第5层地平面，为信号层提供相邻地平面参考。
地填充优势：
- 增加铜面积 → 提高散热能力和热质量
- 提供EMI屏蔽
- 降低地平面阻抗
- PCB铜重量平衡，减少翘曲
层间连接：过孔连接各层地，沿PCB四边密缝合过孔。
16.9 走线规则
- 避免同层近距离平行走线（感性串扰）
- 避免相邻层上下平行走线（容性+感性串扰）
- 走线交叉时尽量正交（90°）
- 中间加地平面层可充当电屏蔽
16.10 热设计
16.10.1 PCB作为散热器
现代Class-D设计（低至中等功率）中，PCB本身充当SMD器件的散热器：
- 最大化功率器件周围铜面积
- 外层铜箔暴露于空气中，通过对流散热
16.10.2 热设计示例1：使用散热器
DirectFET（5W功耗，，）：
| 热阻路径 | 值 |
|---|---|
| 结到壳 | 1.4°C/W |
| 导热垫（0.508mm，K=5W/m-K） | 3.39°C/W |
| 散热器壳到环境 | 需 ≤ 8.21°C/W |
总温差：，减去结壳7°C和导热垫17°C，剩余41°C分配给散热器。
16.10.3 热设计示例2：无散热器
利用PCB导热散热：
- （IRF6775）
- FR4最高工作温度约90°C
- 5W时结温比PCB表面高7°C → PCB表面限制在90°C
增强散热方法：
- 多个机械安装点（PEM紧固件）导热到外壳
- 尽可能多的PCB铜面积散热
- 热过孔：将器件铜面热量传导到其他层（特别是底层）
- 导热垫连接PCB到外壳
16.10.4 热敏感元件
远离热源的元件：
- 铝电解电容：寿命与温度强相关（每降10°C寿命翻倍）
- 晶振：部分仅85°C额定
- X5R陶瓷电容：仅85°C
- 建议使用X7R或NP0/C0G（≥105°C）
16.11 参考设计布局要点
- 实体地平面，两通道间切割至电源连接器——消除共阻抗串扰
- 高频开关电流限制在功率管、轨电容、LC滤波器本地环路
- +12V DCDC居中，U形地平面切割围绕——限制其开关电流
- 输出反馈走线不穿越噪声开关信号区域
- 噪声敏感电路（输入、三角波发生器）远离高功率开关区
- 独立输入连接器和低压电源连接器
参考文献
- Ardizzoni, J. (2005). A practical guide to high-speed PCB layout. Analog Dialogue, 39(09).
- Honda, J. & Huang, C. (2008). PCB layout with IR Class-D audio gate drivers. IR AN-1135.
- Johnson, H. (1993). High Speed Digital Design. Prentice Hall.
- Putzeys, B. (2014). The G word, or how to get your audio off the ground. EDN.
- TI (2011). Understanding thermal dissipation and design of a heatsink. SLVA462.
- Toporski, T. (2022). Switch node layout considerations for EMC. MPS.
- Wyatt, K. & Sandler, S. (2022). DC-DC converters – Solid return plane or cutouts? Signal Integrity Journal.
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