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)重要進(jìn)程。許多情況下，一個(gè)在規劃上是十分完美的電源或許在初度調試時(shí)就無(wú)法正常的作業(yè)，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)品規劃工程師更傾向于選擇在市場(chǎng)上很簡(jiǎn)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(xiàn)路板上。因為開(kāi)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(kāi)關(guān)電源PCB排版與數字電路PCB排版完全不相同。在數字電路排版中，許多數字芯片能夠經(jīng)過(guò)PCB軟件來(lái)自動(dòng)排列，且芯片之間的連接線(xiàn)能夠經(jīng)過(guò)PCB軟件來(lái)自動(dòng)連接。用自動(dòng)排版方法排出的開(kāi)關(guān)電源肯定無(wú)法正常作業(yè)。所以，沒(méi)計人員需求對開(kāi)關(guān)電源PCB排版基礎規則和開(kāi)關(guān)電源作業(yè)原理有必定的了解。
1、開(kāi)關(guān)電源PCB排版關(guān)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)顯現，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。
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。因為它的諧振頻率很低，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，因而它的諧振頻率會(huì )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，因而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。因為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)不同特性的電容器能夠并聯(lián)起來(lái)運用。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(kāi)關(guān)電源排版關(guān)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(gè)電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性。
圖4顯現了在一個(gè)PCB上輸入電源(Vin)至負載(RL)的不同走線(xiàn)方法。為了下降濾波電容器(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)應盡量挨近。
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。高頻溝通電流所發(fā)生的電磁場(chǎng)R(t)將環(huán)繞在此環(huán)路的外部和內部。假如高頻電流環(huán)路面積(Ac)很大，就會(huì )在此環(huán)路的內外部發(fā)生很大的電磁攪擾。
電感的基礎公式是
從式(5)可知，減小環(huán)路的面積(Ac)和添加環(huán)路周長(cháng)(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。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(kāi)關(guān)電源中電感的Cp應該操控得越小越好。同時(shí)有必要留意到，同一電感量的電感會(huì )因為線(xiàn)圈結構不同而發(fā)生不同的Cp值。圖7就顯現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匝繞組是按次序繞制。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(xiàn)圈結構所產(chǎn)牛的Cp是1匝線(xiàn)圈C值的兩倍。
能夠看到，相同電感量的兩種電感的Cp值竟然相差達數倍。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(jiǎn)略地經(jīng)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用。
圖8顯現了在一個(gè)PCB上Vin經(jīng)過(guò)L至負載(RL)的不同走線(xiàn)方法。為了下降電感的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)應盡量挨近。
電源排版關(guān)鍵基礎2：
電感的寄生并聯(lián)電容應盡量小，電感引腳焊盤(pán)之間的間隔越遠越好。
1.3鏡像面電磁理論中的鏡像面概念對規劃者掌握開(kāi)關(guān)電源的PCB排版會(huì )有很大的幫助。圖9是鏡像面的基礎概念。
圖9(a)是當直流電流在一個(gè)接地層上方流過(guò)期的情形。此時(shí)在地層上的回來(lái)直流電流十分均勻地分布在整個(gè)地層面上。圖9(h)顯現當高頻電流在同一個(gè)地層上方流過(guò)期的情形。此時(shí)在地層上的回來(lái)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(méi)有電流。一日．理解了鏡像面概念，咱們很簡(jiǎn)略看到在圖10中地層面上走線(xiàn)的問(wèn)題。接地層(GroundPlane)，沒(méi)汁人員應該盡量防止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)損壞了整個(gè)高頻環(huán)路，該電路會(huì )產(chǎn)牛很強的電磁波輻射而損壞周邊電子器材的正常作業(yè)。
電源排版關(guān)鍵基礎3:
防止在地層上放置任何功率或信號走線(xiàn)。確保地層的完好性。
1.4高頻環(huán)路開(kāi)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(huà)，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)路的內部和外部發(fā)生很強的電磁于擾。同樣的高頻電流，當環(huán)路面積規劃得十分小時(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 )變得十分安靜。
開(kāi)關(guān)電源排版關(guān)鍵基礎4：
高頻環(huán)路的面積應盡或許減小。
1.5過(guò)孔和焊盤(pán)放置許多規劃人員喜歡在多層PCB卜放置許多過(guò)孔(VIAS)。但是，有必要防止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 )遭到損壞。假如有必要在高頻電流路徑上放置一些過(guò)孔的活，過(guò)孔之間能夠留出一空間讓高頻電流順利經(jīng)過(guò)，圖12顯現了過(guò)孔放置方法。
開(kāi)關(guān)電源排版關(guān)鍵基礎5：
過(guò)孔放置不該損壞高頻電流在地層上的流經(jīng)。
規劃者同時(shí)應留意不同焊盤(pán)的形狀會(huì )發(fā)生不同的串聯(lián)電感。圖13顯現了兒種焊盤(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顯現了旁路電容正確和過(guò)錯的放置方法。
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。為了防止輸出走線(xiàn)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(xiàn)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仿和數字電路的影響，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(lái)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(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經(jīng)過(guò)單點(diǎn)與開(kāi)關(guān)電源的接地層相連接。
電源排版關(guān)鍵基礎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(guò)單點(diǎn)與電源接地層相連接。
開(kāi)關(guān)電源PCB排版比如規劃人員應能在此線(xiàn)路圖上區分出功率電路中元器材和操控信號電路中元器材。假如規劃者將該電源中所有的元器材當作數字電路中的元器材來(lái)處理，則問(wèn)題會(huì )相當嚴重。一般首要需求知道電源高頻電流的路徑，并區分小信號操控電路和功率電路元器材及其走線(xiàn)。一般來(lái)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(chǎng)效應管。操控電路首要包含PWM操控芯片、旁路電容、自舉電路、反應分壓電阻、反應補償電路。
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(xiàn)將決定整個(gè)電源作業(yè)是否正常。規劃人員首要要對開(kāi)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顯現一個(gè)降壓式開(kāi)關(guān)電源功率電路元器材上的電流和電壓波形。因為從輸入濾波電容(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溝通電流，所以由Cin-S1-S2所構成的環(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。
假如規劃者未按本文所述的關(guān)鍵來(lái)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(guò)錯：第一，因為Cin有很大的ESL，Cin的高頻濾波能力基礎上消失；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(pán)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(pán)引線(xiàn)太長(cháng)，形成FSL太大而失去了高頻濾波線(xiàn)。Cin-S1-S2和S2-L-Cout環(huán)路的面積已操控到最小。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)。因為該連接點(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(xiàn)上沒(méi)有高峰值的高頻電流，但比較寬的走線(xiàn)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(qián)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(xiàn)。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(lái)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(xiàn)路應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。
電源排版關(guān)鍵基礎7
操控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。
3、開(kāi)關(guān)電源PCB排版例1圖21是圖17PCB的元器材面走線(xiàn)圖。此電源中采用了一個(gè)賤價(jià)PWM操控器(Semtech類(lèi)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(méi)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(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經(jīng)過(guò)操控電路，所以，無(wú)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(guò)操控電路，這時(shí)就有必要將二者分隔。
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。此電源上運用了一個(gè)集成電源操控器(Semtech類(lèi)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(jiǎn)略，尤其合適應用在便攜式DVD機，ADSL，機頂盒等消費類(lèi)電子產(chǎn)品。
同前面比如相同，關(guān)于這種簡(jiǎn)略開(kāi)關(guān)電源，在PCB排版時(shí)也應留意以下幾點(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(zhù)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(lái)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補償電路(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(kāi)關(guān)電源PCB排版例3最終討論一種多路輸出開(kāi)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)。該電源運用了，一集成多路開(kāi)關(guān)操控器(Serotech類(lèi)型SC2453)。SC2453供給了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。它還供給了一個(gè)專(zhuān)用可分配正壓線(xiàn)性調節器和一個(gè)專(zhuān)用可分配負壓線(xiàn)性調節器。TSSOP-28封裝減小了所需線(xiàn)路板面積。兩個(gè)異相降壓轉換器能夠減小輸入電流紋波。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。因為該電源上所有元器材都有必要被放置在一個(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(kāi)來(lái)。參照前面幾節中討論過(guò)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分開(kāi)來(lái)，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(guò)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詳細描述了該電源排版方法。
電源排版關(guān)鍵基礎8
開(kāi)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(guò)單點(diǎn)相連接。
開(kāi)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)之間的間隔越遠越好；
3) 防止在地層上放置任何功率或信號走線(xiàn)；
4) 高頻環(huán)路的面積應盡或許減??；
5) 過(guò)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(guò)單點(diǎn)與電源接地層相連接；7)操控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(guò)單點(diǎn)相連接。
