開(kāi)關(guān)電源PCB排版基本要點(diǎn)分析
摘要：開(kāi)關(guān)電源PCB排版是開(kāi)發(fā)電源產(chǎn)品中的一個(gè)重要過(guò)程。許多情況下，一個(gè)在紙上設計得非常完美的電源可能在初次調試時(shí)無(wú)法正常工作，原因是該電源的PCB排版存在著(zhù)許多問(wèn)題．詳細討論了開(kāi)關(guān)電源PCB排版的基本要點(diǎn)，并描述了一些實(shí)用的PCB排版例子。
0 引言
為了適應電子產(chǎn)品飛快的更新?lián)Q代節奏，產(chǎn)品設計工程師更傾向于選擇在市場(chǎng)上很容易采購到的AC／DC適配器，并把多組直流電源直接安裝在系統的線(xiàn)路板上。由于開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾會(huì )影響到其電子產(chǎn)品的正常工作，正確的電源PCB排版就變得非常重要。開(kāi)關(guān)電源PCB排版與數字電路PCB排版完全不一樣。在數字電路排版中，許多數字芯片可以通過(guò)PCB軟件來(lái)自動(dòng)排列，且芯片之間的連接線(xiàn)可以通過(guò)PCB軟件來(lái)自動(dòng)連接。用自動(dòng)排版方式排出的開(kāi)關(guān)電源肯定無(wú)法正常工作。所以，沒(méi)計人員需要對開(kāi)關(guān)電源PCB排版基本規則和開(kāi)關(guān)電源工作原理有一定的了解。
1 開(kāi)關(guān)電源PCB排版基本要點(diǎn)
l.1 電容高頻濾波特性
電容的基本公式是
式（1）顯示，減小電容器極板之間的距離（d）和增加極板的截面積（A）將增加電容器的電容量。
電容通常存在等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）二個(gè)寄生參數。圖2是電容器在不同工作頻率下的阻抗（Zc）。
一個(gè)電容器的諧振頻率（fo）可以從它自身電容量（C）和等效串聯(lián)電感量（LESL）得到，即
當一個(gè)電容器工作頻率在fo以下時(shí)，其阻抗隨頻率的上升而減小，即
當電容器工作頻率在fo以上時(shí)，其阻抗會(huì )隨頻率的上升而增加，即
當電容器工作頻率接近fo時(shí)，電容阻抗就等于它的等效串聯(lián)電阻（RESR）。
電解電容器一般都有很大的電容量和很大的等效串聯(lián)電感。由于它的諧振頻率很低，所以只能使用在低頻濾波上。鉭電容器一般都有較大電容量和較小等效串聯(lián)電感，因而它的諧振頻率會(huì )高于電解電容器，并能使用在中高頻濾波上。瓷片電容器電容量和等效串聯(lián)電感一般都很小，因而它的諧振頻率遠高于電解電容器和鉭電容器，所以能使用在高頻濾波和旁路電路上。由于小電容量瓷片電容器的諧振頻率會(huì )比大電容量瓷片電容器的諧振頻率要高，因此，在選擇旁路電容時(shí)不能光選用電容值過(guò)高的瓷片電容器。為了改善電容的高頻特性，多個(gè)不同特性的電容器可以并聯(lián)起來(lái)使用。圖3是多個(gè)不同特性的電容器并聯(lián)后阻抗改善的效果。
電源排版基本要點(diǎn)1 旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯(lián)電感應盡量小，多個(gè)電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性。
顯示了在一個(gè)PCB上輸入電源（Vin）至負載（RL）的不同走線(xiàn)方式。為了降低濾波電容器（C）的ESL，其引線(xiàn)長(cháng)度應盡量減短；而Vin。正極至RL和Vin負極至R1的走線(xiàn)應盡量靠近。
1．2 電感高頻濾波特性
中的電流環(huán)路類(lèi)似于一匝線(xiàn)圈的電感。高頻交流電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)R（t）將環(huán)繞在此環(huán)路的外部和內部。如果高頻電流環(huán)路面積（Ac）很大，就會(huì )在此環(huán)路的內外部產(chǎn)生很大的電磁干擾。
從式（5）可知，減小環(huán)路的面積（Ac）和增加環(huán)路周長(cháng)（lm）可減小L。
電感通常存在等效并聯(lián)電阻（EPR）和等效并聯(lián)電容（Cp）二個(gè)寄生參數。圖6是電感在不同工作頻率下的阻抗（ZL）。
諧振頻率（fo）可以從電感自身電感值（L）和它的等效并聯(lián)電容值（Cp）得到，即
當一個(gè)電感工作頻率在fo以下時(shí)，電感阻抗隨頻率的上升而增加，即
當電感工作頻率在fo以上時(shí)，電感阻抗隨頻率的上升而減小，即
當電感工作頻率接近fo時(shí)，電感阻抗就等于它的等效并聯(lián)電阻（REPR）。
在開(kāi)關(guān)電源中電感的Cp應該控制得越小越好。同時(shí)必須注意到，同一電感量的電感會(huì )由于線(xiàn)圈結構不同而產(chǎn)生不同的Cp值。圖7就顯示了同一電感量的電感在二種不同的線(xiàn)圈結構下不同的Cp值。圖7（a）電感的5匝繞組是按順序繞制。這種線(xiàn)圈結構的Cp值是l匝線(xiàn)圈等效并聯(lián)電容值（C）的1／5。圖7（b）電感的5匝繞組是按交叉順序繞制。其中繞組4和5放置在繞組1、2、3之間，而繞組l和5非�？拷�。這種線(xiàn)圈結構所產(chǎn)牛的Cp是1匝線(xiàn)圈C值的兩倍。
可以看到，相同電感量的兩種電感的Cp值居然相差達數倍。在高頻濾波上如果一個(gè)電感的Cp值太大，高頻噪音就會(huì )很容易地通過(guò)Cp直接耦合到負載上。這樣的電感也就失去了它的高頻濾波功能。
圖8顯示了在一個(gè)PCB上Vin通過(guò)L至負載（RL）的不同走線(xiàn)方式。為了降低電感的Cp，電感的二個(gè)引腳應盡量遠離。而Vin正極至RL和Vin負極至RL的走線(xiàn)應盡量靠近。
電源排版基本要點(diǎn)2 電感的寄生并聯(lián)電容應盡量小，電感引腳焊盤(pán)之間的距離越遠越好。
1.3 鏡像面
電磁理論中的鏡像面概念對設計者掌握開(kāi)關(guān)電源的PCB排版會(huì )有很大的幫助。圖9是鏡像面的基本概念。
圖9（a）是當直流電流在一個(gè)接地層上方流過(guò)時(shí)的情景。此時(shí)在地層上的返回直流電流非常均勻地分布在整個(gè)地層面上。圖9（h）顯示當高頻電流在同一個(gè)地層上方流過(guò)時(shí)的情景。此時(shí)在地層上的返回交流電流只能流在地層面的中間而地層面的兩邊則完全沒(méi)有電流。 一日．理解了鏡像面概念，我們很容易看到在圖10中地層面上走線(xiàn)的問(wèn)題。接地層（Ground Plane），沒(méi)汁人員應該盡量避免在地層上放置任何功率或信號走線(xiàn)。一旦地層上的走線(xiàn)破壞了整個(gè)高頻環(huán)路，該電路會(huì )產(chǎn)牛很強的電磁波輻射而破壞周邊電子器件的正常工作。
電源排版基本要點(diǎn)3 避免在地層上放置任何功率或信號走線(xiàn)。
1．4 高頻環(huán)路
開(kāi)關(guān)電源中有許多由功率器件所組成的高頻環(huán)路，如果對這△環(huán)路處嬋得不好的話(huà)，就會(huì )對電源的正常工作造成很大影響。為了減小高頻環(huán)路所產(chǎn)生的電磁波噪音，該環(huán)路的面積應該控制得非常小。如圖l1（a）所示，高頻電流環(huán)路面積很大，就會(huì )在環(huán)路的內部和外部產(chǎn)生很強的電磁于擾。同樣的高頻電流，當環(huán)路面積設計得非常小時(shí)，如圖11（b）所示，環(huán)路內部和外部電磁場(chǎng)互相抵消，整個(gè)電路會(huì )變得非常安靜。
電源排版基本要點(diǎn)4 高頻環(huán)路的面積應盡可能減小。
1.5 過(guò)孔和焊盤(pán)放置
許多設計人員喜歡在多層PCB卜放置很多過(guò)孔（VIAS）。但是，必須避免在高頻電流返同路徑上放置過(guò)多過(guò)。否則，地層上高頻電流走線(xiàn)會(huì )遭到破壞。如果必須在高頻電流路徑上放置一些過(guò)孔的活，過(guò)孔之間可以留出一空間讓高頻電流順利通過(guò)，圖12顯示了過(guò)孔放置方式。
電源排版基本要點(diǎn)5 過(guò)孔放置不應破壞高頻電流在地層上的流經(jīng)。
設計者同時(shí)應注意不同焊盤(pán)的形狀會(huì )產(chǎn)生不同的串聯(lián)電感。圖13顯示了幾種焊盤(pán)形狀的串聯(lián)電感值。
旁路電容（Decouple）的放置也要考慮到它的串聯(lián)電感值。旁路電容必須是低阻抗和低ESL乩的瓷片電容。但如果一個(gè)高品質(zhì)瓷片電容在PCB上放置的方式不對，它的高頻濾波功能也就消失了。圖14顯示了旁路電容正確和錯誤的放置方式。
1．6 電源直流輸出
許多開(kāi)關(guān)電源的負載遠離電源的輸出端口。為了避免輸出走線(xiàn)受電源自身或周邊電子器件所產(chǎn)生的電磁下擾，輸出電源走線(xiàn)必須像圖l5（b）那樣靠得很近，使輸出電流環(huán)路的面積盡可能減小。
l.7 地層在系統板上的分隔
新一代電子產(chǎn)品系統板七會(huì )同時(shí)有模擬電路、數字電路、開(kāi)關(guān)電源電路。為了減小丌關(guān)電源噪音對敏感的模擬和數字電路的影響，通常需要分隔不同電路的接地層。如果選用多層PCB，不同電路的接地層可由不同PCB板層來(lái)分隔。如果整個(gè)產(chǎn)品只有一層接地層，則必須像圖16中那樣在單層中分隔。無(wú)論是在多層PCB上進(jìn)行地層分隔還是在單層PCB 上進(jìn)行地層分隔，不同電路的地層都應該通過(guò)單點(diǎn)與開(kāi)關(guān)電源的接地層相連接。
電源排版基本要點(diǎn)6 系統板七不同電路需要不同接地層，不同電路的接地層通過(guò)單點(diǎn)與電源接地層相連接。
2 開(kāi)關(guān)電源PCB排版例子
壓式開(kāi)關(guān)電源原理圖。設汁人員應能在此線(xiàn)路圖上區分出功率電路中元器件和控制信號電路中元器件。如果設計者將該電源中所有的元器件當作數字電路中的元器件來(lái)處理，則問(wèn)題會(huì )相當嚴重。通常首先需要知道電源高頻電流的路徑，并區分小信號控制電路和功率電路元器件及其走線(xiàn)。一般來(lái)講，電源的功率電路主要包括輸入濾波電容、輸出濾波電容、濾波電感、上下端功率場(chǎng)效應管�？刂齐娐分饕≒WM控制芯片、旁路電容、自舉電路、反饋分壓電阻、反饋補償電路。
2.l 電源功率電路PCB排版
電源功率器件在PCB上正確的放置和走線(xiàn)將決定整個(gè)電源工作是否正常。設計人員首先要對開(kāi)關(guān)電源功率器件上的電壓和電流的波形有一一定的了解。
圖18顯示一個(gè)降壓式開(kāi)關(guān)電源功率電路元器件卜的電流和電壓波形。由于從輸入濾波電容（Cin），上端場(chǎng)效應管（S1）和F端場(chǎng)效應管（S2）中所流過(guò)的電流是帶有高頻率和高峰值的交流電流，所以由Cin-S1-S2所形成的環(huán)路面積要盡量減小。同時(shí)由S2，L和輸出濾波電容（Cout）所組成的環(huán)路面積也要盡量減小。
如果設汁者未按本丈所述的要點(diǎn)來(lái)制作功率電路PCB，很可能制作出網(wǎng)19所示的電源PCB，圖19的PCB排版存在許多錯誤：第一，由于Cin有很大的ESL，Cin的高頻濾波能力基本上消失；第二，Cin-S1-S2和S1-LCout環(huán)路的面積太大，所產(chǎn)生的電磁噪音會(huì )對電源本身和周邊電路造成很大于擾；第三，L的焊盤(pán)靠得太近，造成Cp太大而降低了它的高頻濾波功能；第四，Cout焊盤(pán)引線(xiàn)太長(cháng)，造成FSL太大而失去了高頻濾波線(xiàn)。 Cin-S1-S2和S2-L-Cout環(huán)路的面積已控制到最小。S1的源極，S2的漏極和L之問(wèn)的連接點(diǎn)是一整塊銅片焊盤(pán)。由于該連接點(diǎn)上的電壓是高頻，S1、S2和L需要靠得非常近。雖然L和Cout之間的走線(xiàn)上沒(méi)有高峰值的高頻電流，但比較寬的走線(xiàn)可以降低直流阻抗的損耗使電源的效率得到提高。如果成本上允許，電源可用一面完全是接地層的雙面PCB，但必須注意在地層卜盡量避免走功率和信號線(xiàn)。在電源的輸入和輸出端口還各增加了一個(gè)瓷片電容器來(lái)改善電源的高頻濾波性能。
2.2 電源控制電路PCB排版
電源控制電路PCB排版也是非常重要的。不合理的排版會(huì )造成電源輸出電壓的漂移和振蕩�？刂凭�(xiàn)路應放置在功率電路的邊上，絕對不能放在高頻交流環(huán)路的中間。旁路電容要盡量靠近芯片的Vcc和接地腳（GND）。反饋分壓電阻最好也放置在芯片附近。芯片驅動(dòng)至場(chǎng)效應管的環(huán)路也要盡量減短。
電源排版基本要點(diǎn)7 控制芯片至上端和下端場(chǎng)效應管的驅動(dòng)電路環(huán)路要盡量短。
2.3開(kāi)關(guān)電源PCB排版例1
圖21是圖17 PCB的元器件面走線(xiàn)圖。此電源中采用了一個(gè)低價(jià)PWM控制器（Semtech型號SCIIO4A）。PCB下層是一個(gè)完整的接地層。此PCB功率地層與控制地層之間沒(méi)有分隔�？梢钥吹皆撾娫吹墓β孰娐酚奢斎氩遄≒CB左上端）通過(guò)輸入濾波電容器（C1，C2，），S1，S2，L1，輸出濾波電容器（C10，C11，C12，C13），一直到輸出插座（PCB右下端）。SCll04A被放置在PCB的左下端。因為，在地層上功率電路電流不通過(guò)控制電路，所以，無(wú)必要將控制電路接地層與功率電路接地層進(jìn)行分隔。如果輸入插座是放置在PCB的左下端，那么在地層上功率電路電流會(huì )直接通過(guò)控制電路，這時(shí)就有必要將二者分隔。
2．4開(kāi)關(guān)電源PCB排版例2
圖22是另一種降壓式開(kāi)關(guān)電源，該電源能使12V輸入電壓轉換成3．3V輸出電壓，輸出電流可達3A。此電源上使用了一個(gè)集成電源控制器（Semtech型號SC4519）。這種控制器將一個(gè)功率管集成在電源控制器芯片中。這樣的電源非常簡(jiǎn)單，尤其適合應用在便攜式DVD機，ADSL，機頂盒等消費類(lèi)電子產(chǎn)品。
同前面例子一樣，對于這種簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電源，在PCB排版時(shí)也應注意以下幾點(diǎn)。
1）由輸入濾波電容（C3），SC4519的接地腳（GND），和D2所圍成的環(huán)路面積一定要小。這意味著(zhù)C3及D2必須非�？拷黃C4519。
2）可采用分隔的功率電路接地層和控制電路接地層。連接到功率地層的元器件包括輸入插座（VIN），輸出插座（VOUT），輸入濾波電容（C3），輸出濾波電容（C2），D2，SC4519。連接到控制地層的元器件包括輸出分壓電阻（R1，R2），反饋補償電路（R3，C4，C3，），使能插座（EN），同步插座（SYNC）
3）在SC4519接地腳的附近加 個(gè)過(guò)孔將功率電路接地層與控制信號電路接地層單點(diǎn)式的相連接。
圖23是該電源PCB上層排版圖。為了力便讀者理解，功率接地層和控制信號接地層分別用不同顏色來(lái)表示。在這里輸入插座被放置在PCB的上方，而輸出插座被放置在PCB的下方．濾波電感（L1）被放在PCB左邊并靠近功率接地層，而對于噪音較敏感的反饋補償電路（R3，C4，C5）則被放存PCB右邊并靠近控制信號接地層。D2非�？拷黃C4519的腳3及腳4。圖24是該電源PCB下層排版圖。輸入濾波電容（C3）被放置在PCB下層并非�？拷黃C4519和功率接地層。
2.5開(kāi)關(guān)電源PCB排版例3
最后討論一種多路輸出開(kāi)關(guān)電源PCB排版要點(diǎn)。此電源有3組輸入電壓（12V，5V和3.3V），4組輸出電壓（3.3v，2.6V，1.8V，1.2V）。該電源使用了，一集成多路開(kāi)關(guān)控制器（Serotech型號SC2453）。SC2453提供了4.5V～30V的寬輸入電壓范圍，兩個(gè)高達700kHz開(kāi)關(guān)頻率和高達15A輸出電流，以及低至0.5V輸出電壓的同步降壓轉換器。它還提供了一個(gè)專(zhuān)用可調配正壓線(xiàn)性調節器和一個(gè)專(zhuān)用可調配負壓線(xiàn)性調節器。TSSOP-28封裝減小了所需線(xiàn)路板面積。兩個(gè)異相降壓轉換器可以減小輸入電流紋波。圖25是這種多路開(kāi)關(guān)電源的原理圖。其中3.3V輸出由5V輸人產(chǎn)生，l.2V輸出由12V輸入產(chǎn)生，2.6V和1.8V輸出由3.3V輸入產(chǎn)生。由于該電源上所有元器件都必須被放置在一個(gè)面積較小的PCB上，為此必須將電源的功率地層和控制信號地層分隔開(kāi)來(lái)。參照前面幾節中討論過(guò)的要點(diǎn)，首先將圖25中連接到功率地層的元器件和連接到控制信號地層的元器件區分開(kāi)來(lái)，然后將控制信號元器件放在信號地層上并靠近SC2453控制信號地層與功率地層通過(guò)單點(diǎn)相連接。這連接點(diǎn)通常會(huì )選擇在控制芯片的接地腳（SC2453中的腳21）。圖26詳細描述了該電源排版方式。
電源排版基本要點(diǎn)8 開(kāi)關(guān)電源功率電路和控制信號電路下的元器件需要連接不同的接地層，這二個(gè)地層一般都是通過(guò)單點(diǎn)相連接。
3 結語(yǔ)
開(kāi)關(guān)電源PCB排版的8個(gè)要點(diǎn)：
1）旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯(lián)電感應盡量小，多個(gè)電容并聯(lián)能改善電容的阻抗特性；
2）電感的寄生并聯(lián)電容應盡量小，電感引腳焊盤(pán)之間的距離越遠越好；
3）避免在地層上放置任何功率或信號走線(xiàn)；
4）高頻環(huán)路的面積應盡可能減��；
5）過(guò)孔放置小應破壞高頻電流在地層上的路徑；
6）系統板上一小同電路需要不同接地層，小同電路的接地層通過(guò)單點(diǎn)與電源接地層相連接；
7）控制芯片至上端和下端場(chǎng)效應管的驅動(dòng)電路環(huán)路要盡量短；
8）開(kāi)關(guān)電源功率電路和控制信號電路元器件需要連接到小同的接地層，這二個(gè)地層一般都是通過(guò)單點(diǎn)相連接。
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