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(gè)重要進(jìn)程。許多情況下，一個(gè)在規(guī)劃上是十分完美的電源或許在初度調(diào)試時(shí)就無法正常的作業(yè)，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)品規(guī)劃工程師更傾向于選擇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體系的線路板上。因?yàn)殚_關(guān)電源發(fā)生的電磁攪擾會(huì)影響到其電子產(chǎn)品的正常作業(yè)，正確的電源PCB排版就變得十分重要。開關(guān)電源PCB排版與數(shù)字電路PCB排版完全不相同。在數(shù)字電路排版中，許多數(shù)字芯片能夠經(jīng)過PCB軟件來自動(dòng)排列，且芯片之間的連接線能夠經(jīng)過PCB軟件來自動(dòng)連接。用自動(dòng)排版方法排出的開關(guān)電源肯定無法正常作業(yè)。所以，沒計(jì)人員需求對開關(guān)電源PCB排版基礎(chǔ)規(guī)則和開關(guān)電源作業(yè)原理有必定的了解。
1、開關(guān)電源PCB排版關(guān)鍵基礎(chǔ)
1.1電容高頻濾波特性
圖1是電容器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和高頻等效模型。
電容的基礎(chǔ)公式是
式(1)顯現(xiàn)，減小電容器極板之間的間隔(d)和添加極板的截面積(A)將添加電容器的電容量。
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(gè)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(gè)電容器的諧振頻率(fo)能夠從它自身電容量(C)和等效串聯(lián)電感量(LESL)得到，即當(dāng)一個(gè)電容器作業(yè)頻率在fo以下時(shí)，其阻抗隨頻率的上升而減小，即當(dāng)電容器作業(yè)頻率在fo以上時(shí)，其阻抗會(huì)隨頻率的上升而添加，即當(dāng)電容器作業(yè)頻率挨近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。因?yàn)樗闹C振頻率很低，所以只能運(yùn)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，并能運(yùn)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，所以能運(yùn)用在高頻濾波和旁路電路上。因?yàn)樾‰娙萘看善娙萜鞯闹C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)不同特性的電容器能夠并聯(lián)起來運(yùn)用。圖3是多個(gè)不同特性的電容器并聯(lián)后阻抗改善的作用。
開關(guān)電源排版關(guān)鍵基礎(chǔ)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(gè)電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性。
圖4顯現(xiàn)了在一個(gè)PCB上輸入電源(Vin)至負(fù)載(RL)的不同走線方法。為了下降濾波電容器(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)盡量挨近。
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。高頻溝通電流所發(fā)生的電磁場R(t)將環(huán)繞在此環(huán)路的外部和內(nèi)部。假如高頻電流環(huán)路面積(Ac)很大，就會(huì)在此環(huán)路的內(nèi)外部發(fā)生很大的電磁攪擾。
電感的基礎(chǔ)公式是
從式(5)可知，減小環(huán)路的面積(Ac)和添加環(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(gè)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)能夠從電感自身電感值(L)和它的等效并聯(lián)電容值(Cp)得到，即
當(dāng)一個(gè)電感作業(yè)頻率在fo以下時(shí)，電感阻抗隨頻率的上升而添加，即
當(dāng)電感作業(yè)頻率在fo以上時(shí)，電感阻抗隨頻率的上升而減小，即
當(dāng)電感作業(yè)頻率挨近fo時(shí)，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)該操控得越小越好。同時(shí)有必要留意到，同一電感量的電感會(huì)因?yàn)榫€圈結(jié)構(gòu)不同而發(fā)生不同的Cp值。圖7就顯現(xiàn)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匝繞組是按次序繞制。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匝繞組是按交叉次序繞制。其中繞組4和5放置在繞組1、2、3之間，而繞組l和5十分挨近。這種線圈結(jié)構(gòu)所產(chǎn)牛的Cp是1匝線圈C值的兩倍。
能夠看到，相同電感量的兩種電感的Cp值竟然相差達(dá)數(shù)倍。在高頻濾波上假如一個(gè)電感的Cp值太大，高頻噪音就會(huì)很簡略地經(jīng)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用。
圖8顯現(xiàn)了在一個(gè)PCB上Vin經(jīng)過L至負(fù)載(RL)的不同走線方法。為了下降電感的Cp,電感的二個(gè)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)盡量挨近。
電源排版關(guān)鍵基礎(chǔ)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間隔越遠(yuǎn)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(guān)電源的PCB排版會(huì)有很大的幫助。圖9是鏡像面的基礎(chǔ)概念。
圖9(a)是當(dāng)直流電流在一個(gè)接地層上方流過期的情形。此時(shí)在地層上的回來直流電流十分均勻地分布在整個(gè)地層面上。圖9(h)顯現(xiàn)當(dāng)高頻電流在同一個(gè)地層上方流過期的情形。此時(shí)在地層上的回來溝通電流只能流在地層面的中心而地層面的兩邊則完全沒有電流。一日．理解了鏡像面概念，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(yīng)該盡量防止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(gè)高頻環(huán)路，該電路會(huì)產(chǎn)牛很強(qiáng)的電磁波輻射而損壞周邊電子器材的正常作業(yè)。
電源排版關(guān)鍵基礎(chǔ)3:
防止在地層上放置任何功率或信號走線。確保地層的完好性。
1.4高頻環(huán)路開關(guān)電源中有許多由功率器材所組成的高頻環(huán)路，假如對這△環(huán)路處嬋得欠好的話，就會(huì)對電源的正常作業(yè)形成很大影響。為了減小高頻環(huán)路所發(fā)生的電磁波噪音，該環(huán)路的面積應(yīng)該操控得十分小。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(nèi)部和外部發(fā)生很強(qiáng)的電磁于擾。同樣的高頻電流，當(dāng)環(huán)路面積規(guī)劃得十分小時(shí)，如圖11(b)所示，環(huán)路內(nèi)部和外部電磁場互相抵消，整個(gè)電路會(huì)變得十分安靜。
開關(guān)電源排版關(guān)鍵基礎(chǔ)4：
高頻環(huán)路的面積應(yīng)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，有必要防止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(huì)遭到損壞。假如有必要在高頻電流路徑上放置一些過孔的活，過孔之間能夠留出一空間讓高頻電流順利經(jīng)過，圖12顯現(xiàn)了過孔放置方法。
開關(guān)電源排版關(guān)鍵基礎(chǔ)5：
過孔放置不該損壞高頻電流在地層上的流經(jīng)。
規(guī)劃者同時(shí)應(yīng)留意不同焊盤的形狀會(huì)發(fā)生不同的串聯(lián)電感。圖13顯現(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。但假如一個(gè)高品質(zhì)瓷片電容在PCB上放置的方法不對，它的高頻濾波功用也就消失了。圖14顯現(xiàn)了旁路電容正確和過錯(cuò)的放置方法。
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。為了防止輸出走線受電源自身或周邊電子器材所發(fā)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地層在體系板上的分隔新一代電子產(chǎn)品體系板上會(huì)同時(shí)有模仿電路、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仿和數(shù)字電路的影響，一般需求分隔不同電路的接地層。假如選用多層PCB，不同電路的接地層可由不同PCB板層來分隔。假如整個(gè)產(chǎn)品只要一層接地層，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(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)該經(jīng)過單點(diǎn)與開關(guān)電源的接地層相連接。
電源排版關(guān)鍵基礎(chǔ)6
體系板上不同電路需求不同接地層，不同電路的接地層經(jīng)過單點(diǎn)與電源接地層相連接。
開關(guān)電源PCB排版比如規(guī)劃人員應(yīng)能在此線路圖上區(qū)分出功率電路中元器材和操控信號電路中元器材。假如規(guī)劃者將該電源中所有的元器材當(dāng)作數(shù)字電路中的元器材來處理，則問題會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重。一般首要需求知道電源高頻電流的路徑，并區(qū)分小信號操控電路和功率電路元器材及其走線。一般來講，電源的功率電路首要包含輸入濾波電容、輸出濾波電容、濾波電感、上下端功率場效應(yīng)管。操控電路首要包含PWM操控芯片、旁路電容、自舉電路、反應(yīng)分壓電阻、反應(yīng)補(bǔ)償電路。
1、電源功率電路PCB排版電源功率器材在PCB上正確的放置和走線將決定整個(gè)電源作業(yè)是否正常。規(guī)劃人員首要要對開關(guān)電源功率器材上的電壓和電流的波形有一必定的了解。
圖18顯現(xiàn)一個(gè)降壓式開關(guān)電源功率電路元器材上的電流和電壓波形。因?yàn)閺妮斎霝V波電容(Cin)，上端場效應(yīng)管(S1)和F端場效應(yīng)管(S2)中所流過的電流是帶有高頻率和高峰值的溝通電流，所以由Cin-S1-S2所構(gòu)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。
假如規(guī)劃者未按本文所述的關(guān)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排版存在許多過錯(cuò)：第一，因?yàn)?/span>Cin有很大的ESL，Cin的高頻濾波能力基礎(chǔ)上消失；第二，Cin-S1-S2和S1-LCout環(huán)路的面積太大，所發(fā)生的電磁噪音會(huì)對電源自身和周邊電路形成很大于擾；第三，L的焊盤靠得太近，形成Cp太大而下降了它的高頻濾波功用；第四，Cout焊盤引線太長，形成FSL太大而失去了高頻濾波線。Cin-S1-S2和S2-L-Cout環(huán)路的面積已操控到最小。S1的源極，S2的漏極和L之問的連接點(diǎn)是一整塊銅片焊盤。因?yàn)樵撨B接點(diǎn)上的電壓是高頻，S1、S2和L需求靠得十分近。雖然L和Cout之間的走線上沒有高峰值的高頻電流，但比較寬的走線能夠下降直流阻抗的損耗使電源的功率得到進(jìn)步。假如本錢上允許，電源可用一面完全是接地層的雙面PCB，但有必要留意在地層卜盡量防止走功率和信號線。在電源的輸入和輸出端口還各添加了一個(gè)瓷片電容器來改善電源的高頻濾波功能。
2、電源操控電路PCB排版電源操控電路PCB排版也是十分重要的。不合理的排版會(huì)形成電源輸出電壓的漂移和振動(dòng)。操控線路應(yīng)放置在功率電路的邊上，肯定不能放在高頻溝通環(huán)路的中心。旁路電容要盡量挨近芯片的Vcc和接地腳(GND)。反應(yīng)分壓電阻最好也放置在芯片附近。芯片驅(qū)動(dòng)至場效應(yīng)管的環(huán)路也要盡量減短。
電源排版關(guān)鍵基礎(chǔ)7
操控芯片至上端和下端場效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路環(huán)路要盡量短。
3、開關(guān)電源PCB排版例1圖21是圖17PCB的元器材面走線圖。此電源中采用了一個(gè)賤價(jià)PWM操控器(Semtech類型SCIIO4A)。PCB下層是一個(gè)完好的接地層。此PCB功率地層與操控地層之間沒有分隔。能夠看到該電源的功率電路由輸入插座(PCB左上端)經(jīng)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。因?yàn)椋诘貙由瞎β孰娐冯娏鞑唤?jīng)過操控電路，所以，無必要將操控電路接地層與功率電路接地層進(jìn)行分隔。假如輸入插座是放置在PCB的左下端，那么在地層上功率電路電流會(huì)直接經(jīng)過操控電路，這時(shí)就有必要將二者分隔。
4、開關(guān)電源PCB排版例2圖22是另一種降壓式開關(guān)電源，該電源能使12V輸入電壓轉(zhuǎn)換成3.3V輸出電壓，輸出電流可達(dá)3A。此電源上運(yùn)用了一個(gè)集成電源操控器(Semtech類型SC4519)。這種操控器將一個(gè)功率管集成在電源操控器芯片中。這樣的電源十分簡略，尤其合適應(yīng)用在便攜式DVD機(jī)，ADSL，機(jī)頂盒等消費(fèi)類電子產(chǎn)品。
同前面比如相同，關(guān)于這種簡略開關(guān)電源，在PCB排版時(shí)也應(yīng)留意以下幾點(diǎn)。
1) 由輸入濾波電容(C3)，SC4519的接地腳(GND)，和D2所圍成的環(huán)路面積必定要小。這意味著C3及D2有必要十分挨近SC4519。
2)可采用分隔的功率電路接地層和操控電路接地層。連接到功率地層的元器材包含輸入插座(VIN)，輸出插座(VOUT)，輸入濾波電容(C3)，輸出濾波電容(C2)，D2，SC4519。連接到操控地層的元器材包含輸出分壓電阻(R1，R2)，反應(yīng)補(bǔ)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)過孔將功率電路接地層與操控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，功率接地層和操控信號接地層別離用不同色彩來表明。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左邊并挨近功率接地層，而關(guān)于噪音較敏感的反應(yīng)補(bǔ)償電路(R3，C4，C5)則被放存PCB右邊并挨近操控信號接地層。D2十分挨近SC4519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下層并十分挨近SC4519和功率接地層。
5、開關(guān)電源PCB排版例3最終討論一種多路輸出開關(guān)電源PCB排版關(guān)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(yùn)用了，一集成多路開關(guān)操控器(Serotech類型SC2453)。SC2453供給了4.5V～30V的寬輸入電壓范圍，兩個(gè)高達(dá)700kHz開關(guān)頻率和高達(dá)15A輸出電流，以及低至0.5V輸出電壓的同步降壓轉(zhuǎn)換器。它還供給了一個(gè)專用可分配正壓線性調(diào)節(jié)器和一個(gè)專用可分配負(fù)壓線性調(diào)節(jié)器。TSSOP-28封裝減小了所需線路板面積。兩個(gè)異相降壓轉(zhuǎn)換器能夠減小輸入電流紋波。圖25是這種多路開關(guān)電源的原理圖。其中3.3V輸出由5V輸人發(fā)生，l.2V輸出由12V輸入發(fā)生，2.6V和1.8V輸出由3.3V輸入發(fā)生。因?yàn)樵撾娫瓷纤性鞑亩加斜匾环胖迷谝粋€(gè)面積較小的PCB上，為此有必要將電源的功率地層和操控信號地層分隔開來。參照前面幾節(jié)中討論過的關(guān)鍵，首要將圖25中連接到功率地層的元器材和連接到操控信號地層的元器材區(qū)分開來，然后將操控信號元器材放在信號地層上并挨近SC2453操控信號地層與功率地層經(jīng)過單點(diǎn)相連接。這連接點(diǎn)一般會(huì)選擇在操控芯片的接地腳(SC2453中的腳21)。圖26詳細(xì)描述了該電源排版方法。
電源排版關(guān)鍵基礎(chǔ)8
開關(guān)電源功率電路和操控信號電路下的元器材需求連接不同的接地層，這二個(gè)地層一般都是經(jīng)過單點(diǎn)相連接。
開關(guān)電源PCB排版的8個(gè)關(guān)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(yīng)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(yīng)盡量小，電感引腳焊盤之間的間隔越遠(yuǎn)越好；
3) 防止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(yīng)盡或許減?。?/span>
5) 過孔放置不該損壞高頻電流在地層上的路徑；
6) 體系板上一小同電路需求不同接地層，小同電路的接地層經(jīng)過單點(diǎn)與電源接地層相連接；7)操控芯片至上端和下端場效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路環(huán)路要盡量短；
8)開關(guān)電源功率電路和操控信號電路元器材需求連接到小同的接地層，這二個(gè)地層一般都是經(jīng)過單點(diǎn)相連接。
