开关电源的PCB布线要求.docx

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开关电源的PCB布线要求

开关电源的PCB布线设计

            开关电源PCB排版是开发电源产品中的一个重要进程。

许多情形下，一个在纸上设计得超级完美的电源可能在第一次调试时无法正常工作，缘故是该电源的PCB排版存在着许多问题．

          0、引言

   为了适应电子产品飞快的更新换代节拍，产品设计工程师更偏向于选择在市场上很容易采购到的AC／DC适配器，并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。

由于开关电源产生的电磁干扰会阻碍到其电子产品的正常工作，正确的电源PCB排版就变得超级重要。

开关电源PCB排版与数字电路PCB排版完全不一样。

在数字电路排版中，许多数字芯片能够通过PCB软件来自动排列，且芯片之间的连接线能够通过PCB软件来自动连接。

用自动排版方式排出的开关电源确信无法正常工作。

因此，没计人员需要对开关电源PCB排版大体规那么和开关电源工作原理有必然的了解。

一、开关电源PCB排版大体要点

电容高频滤波特性

图1是电容器基本结构和高频等效模型。

电容的大体公式是

    式

（1）显示，减小电容器极板之间的距离（d）和增加极板的截面积（A）将增加电容器的电容量。

   电容通常存在等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）二个寄生参数。

图2是电容器在不同工作频率下的阻抗（Zc）。

   一个电容器的谐振频率（fo）能够从它自身电容量（C）和等效串联电感量（LESL）取得，即

   当一个电容器工作频率在fo以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即

   当电容器工作频率在fo以上时，其阻抗会随频率的上升而增加，即

   当电容器工作频率接近fo时，电容阻抗就等于它的等效串联电阻（RESR）。

   电解电容器一样都有专门大的电容量和专门大的等效串联电感。

由于它的谐振频率很低，因此只能利用在低频滤波上。

钽电容器一样都有较大电容量和较小等效串联电感，因此它的谐振频率会高于电解电容器，并能利用在中高频滤波上。

瓷片电容器电容量和等效串联电感一样都很小，因此它的谐振频率远高于电解电容器和钽电容器，因此能利用在高频滤波和旁路电路上。

由于小电容量瓷片电容器的谐振频率会比大电容量瓷片电容器的谐振频率要高，因此，在选择旁路电容时不能光选用电容值太高的瓷片电容器。

为了改善电容的高频特性，多个不同特性的电容器能够并联起来利用。

图3是多个不同特性的电容器并联后阻抗改善的成效。

   电源排版大体要点1旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电感应尽可能小，多个电容器并联能改善电容的高频阻抗特性。

   图4显示了在一个PCB上输入电源（Vin）至负载（RL）的不同走线方式。

为了降低滤波电容器（C）的ESL，其引线长度应尽可能减短；而Vin。

正极至RL和Vin负极至R1的走线应尽可能靠近。

电感高频滤波特性

   图5中的电流环路类似于一匝线圈的电感。

高频交流电流所产生的电磁场R（t）将围绕在此环路的外部和内部。

若是高频电流环路面积（Ac）专门大，就会在此环路的内外部产生专门大的电磁干扰。

   电感的大体公式是

   从式（5）可知，减小环路的面积（Ac）和增加环路周长（lm）可减小L。

   电感通常存在等效并联电阻（EPR）和等效并联电容（Cp）二个寄生参数。

图6是电感在不同工作频率下的阻抗（ZL）。

   谐振频率（fo）能够从电感自身电感值（L）和它的等效并联电容值（Cp）取得，即

   当一个电感工作频率在fo以下时，电感阻抗随频率的上升而增加，即

   当电感工作频率在fo以上时，电感阻抗随频率的上升而减小，即

   当电感工作频率接近fo时，电感阻抗就等于它的等效并联电阻（REPR）。

在开关电源中电感的Cp应该操纵得越小越好。

同时必需注意到，同一电感量的电感会由于线圈结构不同而产生不同的Cp值。

图7就显示了同一电感量的电感在二种不同的线圈结构下不同的Cp值。

图7（a）电感的5匝绕组是按顺序绕制。

这种线圈结构的Cp值是l匝线圈等效并联电容值（C）的1／5。

图7（b）电感的5匝绕组是按交叉顺序绕制。

其中绕组4和5放置在绕组一、二、3之间，而绕组l和5超级靠近。

这种线圈结构所产牛的Cp是1匝线圈C值的两倍。

   能够看到，相同电感量的两种电感的Cp值竟然相差达数倍。

在高频滤波上若是一个电感的Cp值太大，高频噪音就会很容易地通过Cp直接耦合到负载上。

如此的电感也就失去了它的高频滤波功能。

   图8显示了在一个PCB上Vin通过L至负载（RL）的不同走线方式。

为了降低电感的Cp,电感的二个引脚应尽可能远离。

而Vin正极至RL和Vin负极至RL的走线应尽可能靠近。

   电源排版大体要点2电感的寄生并联电容应尽可能小，电感引脚焊盘之间的距离越远越好。

镜像面

   电磁理论中的镜像面概念对设计者把握开关电源的PCB排版会有专门大的帮忙。

图9是镜像面的大体概念。

   图9（a）是当直流电流在一个接地层上方流过时的情景。

现在在地层上的返回直流电流超级均匀地散布在整个地层面上。

图9（h）显示当高频电流在同一个地层上方流过时的情景。

现在在地层上的返回交流电流只能流在地层面的中间而地层面的两边那么完全没有电流。

一日．明白得了镜像面概念，咱们很容易看到在图10中地层面上走线的问题。

接地层（GroundPlane），没汁人员应该尽可能幸免在地层上放置任何功率或信号走线。

一旦地层上的走线破坏了整个高频环路，该电路会产牛很强的电磁波辐射而破坏周边电子器件的正常工作。

   电源排版大体要点3幸免在地层上放置任何功率或信号走线。

1．4高频环路

   开关电源中有许多由功率器件所组成的高频环路，若是对这△环路处婵得不行的话，就会对电源的正常工作造成专门大阻碍。

为了减小高频环路所产生的电磁波噪音，该环路的面积应该操纵得超级小。

如图l1（a）所示，高频电流环路面积专门大，就会在环路的内部和外部产生很强的电磁于扰。

一样的高频电流，当环路面积设计得超级小时，如图11（b）所示，环路内部和外部电磁场相互抵消，整个电路会变得超级安静。

   电源排版大体要点4高频环路的面积应尽可能减小。

过孔和焊盘放置

   许多设计人员喜爱在多层PCB卜放置很多过孔（VIAS）。

可是，必需幸免在高频电流返同途径上放置过量过。

不然，地层上高频电流走线会受到破坏。

若是必需在高频电流途径上放置一些过孔的活，过孔之间能够留出一空间让高频电流顺利通过，图12显示了过孔放置方式。

   电源排版大体要点5过孔放置不该破坏高频电流在地层上的流经。

   设计者同时应注意不同焊盘的形状会产生不同的串联电感。

图13显示了儿种焊盘形状的串联电感值。

   旁路电容（Decouple）的放置也要考虑到它的串联电感值。

旁路电容必需是低阻抗和低ESL乩的瓷片电容。

但如果是一个高品质瓷片电容在PCB上放置的方式不对，它的高频滤波功能也就消失了。

图14显示了旁路电容正确和错误的放置方式。

1．6电源直流输出

   许多开关电源的负载远离电源的输出端口。

为了幸免输出走线受电源自身或周边电子器件所产生的电磁下扰，输出电源走线必需像图l5（b）那样靠得很近，使输出电流环路的面积尽可能减小。

地层在系统板上的分隔

新一代电子产品系统板上会同时有模拟电路、数字电路、开关电源电路。

为了减小开关电源噪音对灵敏的模拟和数字电路的阻碍，通常需要分隔不同电路的接地层。

若是选用多层PCB，不同电路的接地层可由不同PCB板层来分隔。

若是整个产品只有一层接地层，那么必需像图16中那样在单层中分隔。

不管是在多层PCB上进行地层分隔仍是在单层PCB上进行地层分隔，不同电路的地层都应该通过单点与开关电源的接地层相连接。

   电源排版大体要点6系统板上不同电路需要不同接地层，不同电路的接地层通过单点与电源接地层相连接。

二、开关电源PCB排版例子

   设汁人员应能在此线路图上区分出功率电路中元器件和操纵信号电路中元器件。

若是设计者将该电源中所有的元器件看成数字电路中的元器件来处置，那么问题会相当严峻。

通常第一需要明白电源高频电流的途径，并区分小信号操纵电路和功率电路元器件及其走线。

一样来讲，电源的功率电路要紧包括输入滤波电容、输出滤波电容、滤波电感、上下端功率场效应管。

操纵电路要紧包括PWM操纵芯片、旁路电容、自举电路、反馈分压电阻、反馈补偿电路。

电源功率电路PCB排版

   电源功率器件在PCB上正确的放置和走线将决定整个电源工作是不是正常。

设计人员第一要对开关电源功率器件上的电压和电流的波形有一必然的了解。

   图18显示一个降压式开关电源功率电路元器件上的电流和电压波形。

由于从输入滤波电容（Cin），上端场效应管（S1）和F端场效应管（S2）中所流过的电流是带有高频率和高峰值的交流电流，因此由Cin-S1-S2所形成的环路面积要尽可能减小。

同时由S2，L和输出滤波电容（Cout）所组成的环路面积也要尽可能减小。

   若是设汁者未按本文所述的要点来制作功率电路PCB，极可能制作出网19所示的电源PCB，图19的PCB排版存在许多错误：

第一，由于Cin有很大的ESL，Cin的高频滤波能力基本上消失；

第二，Cin-S1-S2和S1-LCout环路的面积太大，所产生的电磁噪音会对电源本身和周边电路造成很大于扰；

第三，L的焊盘靠得太近，造成Cp太大而降低了它的高频滤波功能；

第四，Cout焊盘引线太长，造成FSL太大而失去了高频滤波线。

     Cin-S1-S2和S2-L-Cout环路的面积已操纵到最小。

S1的源极，S2的漏极和L之问的连接点是一整块铜片焊盘。

由于该连接点上的电压是高频，S一、S2和L需要靠得超级近。

尽管L和Cout之间的走线上没有顶峰值的高频电流，但比较宽的走线能够降低直流阻抗的损耗使电源的效率取得提高。

若是本钱上许诺，电源可用一面完满是接地层的双面PCB，但必需注意在地层卜尽可能幸免走功率和信号线。

在电源的输入和输出端口还各增加了一个瓷片电容器来改善电源的高频滤波性能。

电源操纵电路PCB排版

   电源操纵电路PCB排版也是超级重要的。

不合理的排版会造成电源输出电压的漂移和振荡。

操纵线路应放置在功率电路的边上，绝对不能放在高频交流环路的中间。

旁路电容要尽可能靠近芯片的Vcc和接地脚（GND）。

反馈分压电阻最好也放置在芯片周围。

芯片驱动至场效应管的环路也要尽可能减短。

   电源排版大体要点7操纵芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要尽可能短。

开关电源PCB排版例1

   图21是图17PCB的元器件面走线图。

此电源中采纳了一个低价PWM操纵器（Semtech型号SCIIO4A）。

PCB基层是一个完整的接地层。

此PCB功率地层与操纵地层之间没有分隔。

能够看到该电源的功率电路由输入插座（PCB左上端）通过输入滤波电容器（C1，C2，），S1，S2，L1，输出滤波电容器（C10,C11,C12,C13），一直到输出插座（PCB右下端）。

SCll04A

被放置在PCB的左下端。

因为，在地层上功率电路电流不通过操纵电路，因此，无必要将操纵电路接地层与功率电路接地层进行分隔。

若是输入插座是放置在PCB的左下端，那么在地层上功率电路电流会直接通过操纵电路，这时就有必要将二者分隔。

2．4开关电源PCB排版例2

   图22是另一种降压式开关电源，该电源能使12V输入电压转换成3．3V输出电压，输出电流可达3A。

此电源上利用了一个集成电源操纵器（Semtech型号SC4519）。

这种操纵器将一个功率管集成在电源操纵器芯片中。

如此的电源超级简单，尤其适合应用在便携式DVD机，ADSL，机顶盒等消费类电子产品。

   同前面例子一样，关于这种简单开关电源，在PCB排版时也应注意以下几点。

   1）由输入滤波电容（C3），SC4519的接地脚（GND），和D2所围成的环路面积必然要小。

这意味着C3及D2必需超级靠近SC4519。

   2）可采纳分隔的功率电路接地层和操纵电路接地层。

连接到功率地层的元器件包括输入插座（VIN），输出插座（VOUT），输入滤波电容（C3），输出滤波电容（C2），D2，SC4519。

连接到操纵地层的元器件包括输出分压电阻（R1，R2），反馈补偿电路（R3，C4，C3，），使能插座（EN），同步插座（SYNC）。

   3）在SC4519接地脚的周围加个过孔将功率电路接地层与操纵信号电路接地层单点式的相连接。

图23是该电源PCB上层排版图。

为了力便读者明白得，功率接地层和操纵信号接地层别离用不同颜色来表示。

在那个地址输入插座被放置在PCB的上方，而输出插座被放置在PCB的下方．滤波电感（L1）被放在PCB左侧并靠近功率接地层，而关于噪音较灵敏的反馈补偿电路（R3，C4，C5）那么被放存PCB右边并靠近操纵信号接地层。

D2超级靠近SC4519的脚3及脚4。

图24是该电源PCB基层排版图。

输入滤波电容（C3）被放置在PCB基层并超级靠近SC4519和功率接地层。

开关电源PCB排版例3

   最后讨论一种多路输出开关电源PCB排版要点。

此电源有3组输入电压（12V，5V和，4组输出电压，，，。

该电源利用了，一集成多路开关操纵器（Serotech型号SC2453）。

SC2453提供了～30V的宽输入电压范围，两个高达700kHz开关频率和高达15A

输出电流，和低至输出电压的同步降压转换器。

它还提供了一个专用可调配正压线性调剂器和一个专用可调配负压线性调剂器。

TSSOP-28封装减小了所需线路板面积。

两个异相降压转换器能够减小输入电流纹波。

图25是这种多路开关电源的原理图。

其中输出由5V输人产生，输出由12V输入产生，和输出由输入产生。

由于该电源上所有元器件都必需被放置在一个面积较小的PCB上，为此必需将电源的功率地层和操纵信号地层分隔开来。

参照前面几节中讨论过的要点，第一将图25中连接到功率地层的元器件和连接到操纵信号地层的元器件区分开来，然后将操纵信号元器件放在信号地层上并靠近SC2453操纵信号地层与功率地层通过单点相连接。

这连接点通常会选择在操纵芯片的接地脚（SC2453中的脚21）。

图26详细描述了该电源排版方式。

   电源排版大体要点8开关电源功率电路和操纵信号电路下的元器件需要连接不同的接地层，这二个地层一样都是通过单点相连接。

3、结语

   开关电源PCB排版的8个要点：

1）旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电感应尽可能小，多个电容并联能改善电容的阻抗特性；

   2）电感的寄生并联电容应尽可能小，电感引脚焊盘之间的距离越远越好；

   3）幸免在地层上放置任何功率或信号走线；

   4）高频环路的面积应尽可能减小；

   5）过孔放置不该破坏高频电流在地层上的途径；

   6）系统板上一小同电路需要不同接地层，小同电路的接地层通过单点与电源接地层相连接；

   7）操纵芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要尽可能短；

   8）开关电源功率电路和操纵信号电路元器件需要连接到小同的接地层，这二个地层一样都是通过单点相连接。

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