開關(guān)電源的PCB排版其實(shí)是開發(fā)開關(guān)電源系列的產(chǎn)品中的一個重要過程。許多情況下，一個在設(shè)計(jì)上是非常完美的電源可能在初次調(diào)試時就無法正常的工作，原因大部分是該開關(guān)電源的PCB排版存在著許多問題。
為了適應(yīng)電子產(chǎn)品飛快的更新?lián)Q代節(jié)奏，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師更傾向于選擇在市場上很容易采購到的AC／DC適配器，并把多組直流電源直接安裝在系統(tǒng)的線路板上。由于開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾會影響到其電子產(chǎn)品的正常工作，正確的電源PCB排版就變得非常重要。開關(guān)電源PCB排版與數(shù)字電路PCB排版完全不一樣。在數(shù)字電路排版中，許多數(shù)字芯片可以通過PCB軟件來自動排列，且芯片之間的連接線可以通過PCB軟件來自動連接。用自動排版方式排出的開關(guān)電源肯定無法正常工作。所以，沒計(jì)人員需要對開關(guān)電源PCB排版基本規(guī)則和開關(guān)電源工作原理有一定的了解。
1、開關(guān)電源PCB排版基本要點(diǎn)
1.1電容高頻濾波特性
圖1是電容器基本結(jié)構(gòu)和高頻等效模型。
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)二個寄生參數(shù)。
圖2是電容器在不同工作頻率下的阻抗(Zc)。
一個電容器的諧振頻率(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(dāng)一個電容器工作頻率在fo以下時，其阻抗隨頻率的上升而減小，即當(dāng)電容器工作頻率在fo以上時，其阻抗會隨頻率的上升而增加，即當(dāng)電容器工作頻率接近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(yuǎn)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，在選擇旁路電容時不能光選用電容值過高的瓷片電容器。為了改善電容的高頻特性，多個不同特性的電容器可以并聯(lián)起來使用。圖3是多個不同特性的電容器并聯(lián)后阻抗改善的效果。
開關(guān)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(yīng)盡量小，多個電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性。
圖4顯示了在一個PCB上輸入電源(Vin)至負(fù)載(RL)的不同走線方式。為了降低濾波電容器(C)的ESL，其引線長度應(yīng)盡量減短；而Vin。正極至RL和Vin負(fù)極至R1的走線應(yīng)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(nèi)部。如果高頻電流環(huán)路面積(Ac)很大，就會在此環(huán)路的內(nèi)外部產(chǎn)生很大的電磁干擾。
電感的基本公式是
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。
電感通常存在等效并聯(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(dāng)一個電感工作頻率在fo以下時，電感阻抗隨頻率的上升而增加，即
當(dāng)電感工作頻率在fo以上時，電感阻抗隨頻率的上升而減小，即
當(dāng)電感工作頻率接近fo時，電感阻抗就等于它的等效并聯(lián)電阻(REPR)。
在開關(guān)電源中電感的Cp應(yīng)該控制得越小越好。同時必須注意到，同一電感量的電感會由于線圈結(jié)構(gòu)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圈結(jié)構(gòu)下不同的Cp值。圖7(a)電感的5匝繞組是按順序繞制。這種線圈結(jié)構(gòu)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＿@種線圈結(jié)構(gòu)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值居然相差達(dá)數(shù)倍。在高頻濾波上如果一個電感的Cp值太大，高頻噪音就會很容易地通過Cp直接耦合到負(fù)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PCB上Vin通過L至負(fù)載(RL)的不同走線方式。為了降低電感的Cp,電感的二個引腳應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。而Vin正極至RL和Vin負(fù)極至RL的走線應(yīng)盡量靠近。
開關(guān)電源排版基本要點(diǎn)2：
電感的寄生并聯(lián)電容應(yīng)盡量小，電感引腳焊盤之間的距離越遠(yuǎn)越好。
1.3鏡像面電磁理論中的鏡像面概念對設(shè)計(jì)者掌握開關(guān)電源的PCB排版會有很大的幫助。圖9是鏡像面的基本概念。
圖9(a)是當(dāng)直流電流在一個接地層上方流過時的情景。此時在地層上的返回直流電流非常均勻地分布在整個地層面上。圖9(h)顯示當(dāng)高頻電流在同一個地層上方流過時的情景。此時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中地層面上走線的問題。接地層(GroundPlane)，沒汁人員應(yīng)該盡量避免在地層上放置任何功率或信號走線。一旦地層上的走線破壞了整個高頻環(huán)路，該電路會產(chǎn)牛很強(qiáng)的電磁波輻射而破壞周邊電子器件的正常工作。
開關(guān)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。保證地層的完整性。
1.4高頻環(huán)路開關(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，就會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(yīng)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(nèi)部和外部產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁于擾。同樣的高頻電流，當(dāng)環(huán)路面積設(shè)計(jì)得非常小時，如圖11(b)所示，環(huán)路內(nèi)部和外部電磁場互相抵消，整個電路會變得非常安靜。
開關(guān)電源排版基本要點(diǎn)4：
高頻環(huán)路的面積應(yīng)盡可能減小。
1.5過孔和焊盤放置許多設(shè)計(jì)人員喜歡在多層PCB卜放置很多過孔(VIAS)。但是，必須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破壞。如果必須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利通過，圖12顯示了過孔放置方式。
開關(guān)電源排版基本要點(diǎn)5：
過孔放置不應(yīng)破壞高頻電流在地層上的流經(jīng)。
設(shè)計(jì)者同時應(yīng)注意不同焊盤的形狀會產(chǎn)生不同的串聯(lián)電感。圖13顯示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。旁路電容必須是低阻抗和低ESL乩的瓷片電容。但如果一個高品質(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關(guān)電源的負(fù)載遠(yuǎn)離電源的輸出端口。為了避免輸出走線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。
1.7地層在系統(tǒng)板上的分隔新一代電子產(chǎn)品系統(tǒng)板上會同時有模擬電路、數(shù)字電路、開關(guān)電源電路。為了減小開關(guān)電源噪音對敏感的模擬和數(shù)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板層來分隔。如果整個產(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(yīng)該通過單點(diǎn)與開關(guān)電源的接地層相連接。
開關(guān)電源排版基本要點(diǎn)6
系統(tǒng)板上不同電路需要不同接地層，不同電路的接地層通過單點(diǎn)與電源接地層相連接。
