開關電源的PCB排版其實是開發(fā)開關電源系列的產(chǎn)品中的一個重要進程。許多情況下，一個在規(guī)劃上是非常完美的電源或許在初度調試時就無法正常的作業(yè)，原因大部分是該開關電源的PCB排版存在著許多問題。
為了適應電子產(chǎn)品飛快的更新?lián)Q代節(jié)奏，產(chǎn)品規(guī)劃工程師更傾向于挑選在市場上很簡略收購到的AC／DC適配器，并把多組直流電源直接安裝在系統(tǒng)的線路板上。由于開關電源產(chǎn)生的電磁煩擾會影響到其電子產(chǎn)品的正常作業(yè)，正確的電源PCB排版就變得非常重要。開關電源PCB排版與數(shù)字電路PCB排版徹底不相同。在數(shù)字電路排版中，許多數(shù)字芯片可以通過PCB軟件來主動擺放，且芯片之間的銜接線可以通過PCB軟件來主動銜接。用主動排版辦法排出的開關電源肯定無法正常作業(yè)。所以，沒計人員需求對開關電源PCB排版基礎規(guī)矩和開關電源作業(yè)原理有必定的了解。
1、開關電源PCB排版關鍵基礎
1.1電容高頻濾波特性
圖1是電容器基礎結構和高頻等效模型。
電容的基礎公式是
式(1)閃現(xiàn)，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。
電容一般存在等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)二個寄生參數(shù)。
圖2是電容器在不同作業(yè)頻率下的阻抗(Zc)。
一個電容器的諧振頻率(fo)可以從它本身電容量(C)和等效串聯(lián)電感量(LESL)得到，即當一個電容器作業(yè)頻率在fo以下時，其阻抗隨頻率的上升而減小，即當電容器作業(yè)頻率在fo以上時，其阻抗會隨頻率的上升而增加，即當電容器作業(yè)頻率靠近fo時，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，所以只能運用在低頻濾波上。鉭電容器一般都有較大電容量和較小等效串聯(lián)電感，因此它的諧振頻率會高于電解電容器，并能運用在中高頻濾波上。瓷片電容器電容量和等效串聯(lián)電感一般都很小，因此它的諧振頻率遠高于電解電容器和鉭電容器，所以能運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比大電容量瓷片電容器的諧振頻率要高，因此，在挑選旁路電容時不能光選用電容值過高的瓷片電容器。為了改進電容的高頻特性，多個不同特性的電容器可以并聯(lián)起來運用。圖3是多個不同特性的電容器并聯(lián)后阻抗改進的效果。
開關電源排版關鍵基礎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，多個電容器并聯(lián)能改進電容的高頻阻抗特性。
圖4閃現(xiàn)了在一個PCB上輸入電源(Vin)至負載(RL)的不同走線辦法。為了下降濾波電容器(C)的ESL，其引線長度應盡量減短；而Vin。正極至RL和Vin負極至R1的走線應盡量靠近。
1.2電感高頻濾波特性圖5中的電流環(huán)路類似于一匝線圈的電感。高頻交流電流所產(chǎn)生的電磁場R(t)將環(huán)繞在此環(huán)路的外部和內部。假設高頻電流環(huán)路面積(Ac)很大，就會在此環(huán)路的內外部產(chǎn)生很大的電磁煩擾。
電感的基礎公式是
從式(5)可知，減小環(huán)路的面積(Ac)和增加環(huán)路周長(lm)可減小L。
電感一般存在等效并聯(lián)電阻(EPR)和等效并聯(lián)電容(Cp)二個寄生參數(shù)。圖6是電感在不同作業(yè)頻率下的阻抗(ZL)。
諧振頻率(fo)可以從電感本身電感值(L)和它的等效并聯(lián)電容值(Cp)得到，即
當一個電感作業(yè)頻率在fo以下時，電感阻抗隨頻率的上升而增加，即
當電感作業(yè)頻率在fo以上時，電感阻抗隨頻率的上升而減小，即
當電感作業(yè)頻率靠近fo時，電感阻抗就等于它的等效并聯(lián)電阻(REPR)。
在開關電源中電感的Cp應該控制得越小越好。一起有必要留心到，同一電感量的電感會由于線圈結構不同而產(chǎn)生不同的Cp值。圖7就閃現(xiàn)了同一電感量的電感在二種不同的線圈結構下不同的Cp值。圖7(a)電感的5匝繞組是按次第繞制。這種線圈結構的Cp值是l匝線圈等效并聯(lián)電容值(C)的1／5。圖7(b)電感的5匝繞組是按穿插次第繞制。其間繞組4和5放置在繞組1、2、3之間，而繞組l和5非常靠近。這種線圈結構所產(chǎn)牛的Cp是1匝線圈C值的兩倍。
可以看到，相同電感量的兩種電感的Cp值竟然相差達數(shù)倍。在高頻濾波上假設一個電感的Cp值太大，高頻噪音就會很簡略地通過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用。
圖8閃現(xiàn)了在一個PCB上Vin通過L至負載(RL)的不同走線辦法。為了下降電感的Cp,電感的二個引腳應盡量遠離。而Vin正極至RL和Vin負極至RL的走線應盡量靠近。
電源排版關鍵基礎2：
電感的寄生并聯(lián)電容應盡量小，電感引腳焊盤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規(guī)劃者掌握開關電源的PCB排版會有很大的幫助。圖9是鏡像面的基礎概念。
圖9(a)是當直流電流在一個接地層上方流過期的景象。此刻在地層上的回來直流電流非常均勻地分布在整個地層面上。圖9(h)閃現(xiàn)當高頻電流在同一個地層上方流過期的景象。此刻在地層上的回來交流電流只能流在地層面的中心而地層面的兩頭則徹底沒有電流。一日．了解了鏡像面概念，咱們很簡略看到在圖10中地層面上走線的問題。接地層(GroundPlane)，沒汁人員應該盡量避免在地層上放置任何功率或信號走線。一旦地層上的走線損壞了整個高頻環(huán)路，該電路會產(chǎn)牛很強的電磁波輻射而損壞周邊電子器件的正常作業(yè)。
電源排版關鍵基礎3:
避免在地層上放置任何功率或信號走線。確保地層的無缺性。
1.4高頻環(huán)路開關電源中有許多由功率器件所組成的高頻環(huán)路，假設對這△環(huán)路處嬋得欠好的話，就會對電源的正常作業(yè)構成很大影響。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)路面積規(guī)劃得非常小時，如圖11(b)所示，環(huán)路內部和外部電磁場相互抵消，整個電路會變得非常安靜。
開關電源排版關鍵基礎4：
高頻環(huán)路的面積應盡或許減小。
1.5過孔和焊盤放置許多規(guī)劃人員喜歡在多層PCB卜放置許多過孔(VIAS)。但是，有必要避免在高頻電流返同路徑上放置過多過。否則，地層上高頻電流走線會遭到損壞。假設有必要在高頻電流路徑上放置一些過孔的活，過孔之間可以留出一空間讓高頻電流順暢通過，圖12閃現(xiàn)了過孔放置辦法。
開關電源排版關鍵基礎5：
過孔放置不應損壞高頻電流在地層上的流經(jīng)。
規(guī)劃者一起應留心不同焊盤的形狀會產(chǎn)生不同的串聯(lián)電感。圖13閃現(xiàn)了兒種焊盤形狀的串聯(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。旁路電容有必要是低阻抗和低ESL乩的瓷片電容。但假設一個高品質瓷片電容在PCB上放置的辦法不對，它的高頻濾波功用也就消失了。圖14閃現(xiàn)了旁路電容正確和差錯的放置辦法。
1.6電源直流輸出許多開關電源的負載遠離電源的輸出端口。為了避免輸出走線受電源本身或周邊電子器件所產(chǎn)生的電磁下擾，輸出電源走線有必要像圖l5(b)那樣靠得很近，使輸出電流環(huán)路的面積盡或許減小。
1.7地層在系統(tǒng)板上的分隔新一代電子產(chǎn)品系統(tǒng)板上會一起有仿照電路、數(shù)字電路、開關電源電路。為了減小開關電源噪音對敏感的仿照和數(shù)字電路的影響，一般需求分隔不同電路的接地層。假設選用多層PCB，不同電路的接地層可由不同PCB板層來分隔。假設整個產(chǎn)品只需一層接地層，則有必要像圖16中那樣在單層中分隔。無論是在多層PCB上進行地層分隔還是在單層PCB上進行地層分隔，不同電路的地層都應該通過單點與開關電源的接地層相銜接。
電源排版關鍵基礎6
系統(tǒng)板上不同電路需求不同接地層，不同電路的接地層通過單點與電源接地層相銜接。
開關電源PCB排版比方規(guī)劃人員應能在此線路圖上區(qū)別出功率電路中元器件和控制信號電路中元器件。假設規(guī)劃者將該電源中所有的元器件當作數(shù)字電路中的元器件來處理，則問題會相當嚴重。一般首要需求知道電源高頻電流的路徑，并區(qū)別小信號控制電路和功率電路元器件及其走線。一般來講，電源的功率電路首要包括輸入濾波電容、輸出濾波電容、濾波電感、上下端功率場效應管。控制電路首要包括PWM控制芯片、旁路電容、自舉電路、反響分壓電阻、反響補償電路。
1、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將決議整個電源作業(yè)是否正常。規(guī)劃人員首要要對開關電源功率器件上的電壓和電流的波形有一必定的了解。
圖18閃現(xiàn)一個降壓式開關電源功率電路元器件上的電流和電壓波形。由于從輸入濾波電容(Cin)，上端場效應管(S1)和F端場效應管(S2)中所流過的電流是帶有高頻率和高峰值的交流電流，所以由Cin-S1-S2所構成的環(huán)路面積要盡量減小。一起由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。
假設規(guī)劃者未按本文所述的關鍵來制造功率電路PCB，很或許制造出網(wǎng)19所示的電源PCB，圖19的PCB排版存在許多差錯：第一，由于Cin有很大的ESL，Cin的高頻濾波才能基礎上消失；第二，Cin-S1-S2和S1-LCout環(huán)路的面積太大，所產(chǎn)生的電磁噪音會對電源本身和周邊電路構成很大于擾；第三，L的焊盤靠得太近，構成Cp太大而下降了它的高頻濾波功用；第四，Cout焊盤引線太長，構成FSL太大而失去了高頻濾波線。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之問的銜接點是一整塊銅片焊盤。由于該銜接點上的電壓是高頻，S1、S2和L需求靠得非常近。盡管L和Cout之間的走線上沒有高峰值的高頻電流，但比較寬的走線可以下降直流阻抗的損耗使電源的功率得到進步。假設本錢上答應，電源可用一面徹底是接地層的雙面PCB，但有必要留心在地層卜盡量避免走功率和信號線。在電源的輸入和輸出端口還各增加了一個瓷片電容器來改進電源的高頻濾波功用。
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。不合理的排版會構成電源輸出電壓的漂移和振動。控制線路應放置在功率電路的邊上，肯定不能放在高頻交流環(huán)路的中心。旁路電容要盡量靠近芯片的Vcc和接地腳(GND)。反響分壓電阻最好也放置在芯片鄰近。芯片驅動至場效應管的環(huán)路也要盡量減短。
電源排版關鍵基礎7
控制芯片至上端和下端場效應管的驅動電路環(huán)路要盡量短。
3、開關電源PCB排版例1圖21是圖17PCB的元器件面走線圖。此電源中采用了一個賤價PWM控制器(Semtech類型SCIIO4A)。PCB基層是一個無缺的接地層。此PCB功率地層與控制地層之間沒有分隔。可以看到該電源的功率電路由輸入插座(PCB左上端)通過輸入濾波電容器(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。由于，在地層上功率電路電流不通過控制電路，所以，無必要將控制電路接地層與功率電路接地層進行分隔。假設輸入插座是放置在PCB的左下端，那么在地層上功率電路電流會直接通過控制電路，這時就有必要將二者分隔。
4、開關電源PCB排版例2圖22是另一種降壓式開關電源，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。此電源上運用了一個集成電源控制器(Semtech類型SC4519)。這種控制器將一個功率管集成在電源控制器芯片中。這樣的電源非常簡略，特別適宜應用在便攜式DVD機，ADSL，機頂盒等消費類電子產(chǎn)品。
同前面比方相同，關于這種簡略開關電源，在PCB排版時也應留心以下幾點。
1)由輸入濾波電容(C3)，SC4519的接地腳(GND)，和D2所圍成的環(huán)路面積必定要小。這意味著C3及D2有必要非常靠近SC4519。
2)可采用分隔的功率電路接地層和控制電路接地層。銜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。銜接到控制地層的元器件包括輸出分壓電阻(R1，R2)，反響補償電路(R3，C4，C3，)，使能插座(EN)，同步插座(SYNC)。
3)在SC4519接地腳的鄰近加個過孔將功率電路接地層與控制信號電路接地層單點式的相銜接。
圖23是該電源PCB上層排地圖。為了力便讀者了解，功率接地層和控制信號接地層分別用不同顏色來表明。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，而關于噪音較敏感的反響補償電路(R3，C4，C5)則被放存PCB右邊并靠近控制信號接地層。D2非常靠近SC4519的腳3及腳4。圖24是該電源PCB基層排地圖。輸入濾波電容(C3)被放置在PCB基層并非常靠近SC4519和功率接地層。
5、開關電源PCB排版例3終究討論一種多路輸出開關電源PCB排版關鍵。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)。該電源運用了，一集成多路開關控制器(Serotech類型SC2453)。SC2453供應了4.5V～30V的寬輸入電壓范圍，兩個高達700kHz開關頻率和高達15A輸出電流，以及低至0.5V輸出電壓的同步降壓轉換器。它還供應了一個專用可分配正壓線性調節(jié)器和一個專用可分配負壓線性調節(jié)器。TSSOP-28封裝減小了所需線路板面積。兩個異相降壓轉換器可以減小輸入電流紋波。圖25是這種多路開關電源的原理圖。其間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有必要被放置在一個面積較小的PCB上，為此有必要將電源的功率地層和控制信號地層分隔開來。參照前面幾節(jié)中討論過的關鍵，首要將圖25中銜接到功率地層的元器件和銜接到控制信號地層的元器件區(qū)別開來，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單點相銜接。這銜接點一般會挑選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辦法。
電源排版關鍵基礎8
開關電源功率電路和控制信號電路下的元器件需求銜接不同的接地層，這二個地層一般都是通過單點相銜接。
開關電源PCB排版的8個關鍵：
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，多個電容并聯(lián)能改進電容的阻抗特性；
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；
4)高頻環(huán)路的面積應盡或許減小；
5)過孔放置不應損壞高頻電流在地層上的路徑；
6)系統(tǒng)板上一小同電路需求不同接地層，小同電路的接地層通過單點與電源接地層相銜接；7)控制芯片至上端和下端場效應管的驅動電路環(huán)路要盡量短；
8)開關電源功率電路和控制信號電路元器件需求銜接到小同的接地層，這二個地層一般都是通過單點相銜接。
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