開(kāi)關(guān)電源的PCB排版其實(shí)是開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)電源系列的產(chǎn)品中的一個(gè)重要過(guò)程。許多情況下,一個(gè)在設計上是非常完美的電源可能在初次調試時(shí)就無(wú)法正常的工作,原因大部分是該開(kāi)關(guān)電源的PCB排版存在著(zhù)許多問(wèn)題。
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)
1.1電容高頻濾波特性
圖1是電容器基本結構和高頻等效模型。
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(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。
開(kāi)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電感高頻濾波特性圖5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。
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(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。
開(kāi)關(guān)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(GroundPlane),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。
開(kāi)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(xiàn)。保證地層的完整性。
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。
開(kāi)關(guān)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。
開(kāi)關(guān)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顯示了兒種焊盤(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。
1.7地層在系統板上的分隔新一代電子產(chǎn)品系統板上會(huì )同時(shí)有模擬電路、數字電路、開(kāi)關(guān)電源電路。為了減小開(kāi)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。
開(kāi)關(guān)電源排版基本要點(diǎn)6
系統板上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。