開關(guān)電源PCB排版基本要點(diǎn)

分類：技術(shù)教程日期：2009-06-08 11:32:15 來源：

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(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(dòng)排列，且芯片之間的連接線可以通過PCB軟件來自動(dòng)連接。用自動(dòng)排版方式排出的開關(guān)電源肯定無法正常工作。所以,設(shè)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。

圖1 電容器結(jié)構(gòu)和寄生等效串聯(lián)電阻和電感

電容的基本公式是

C=ε_rε₀

（1）

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(shù)。圖2是電容器在不同工作頻率下的阻抗（Z_C）。

圖2 電容阻抗（Z_C）曲線

一個(gè)電容器的諧振頻率（f₀）可以從它自身電容量（C）和等效串聯(lián)電感量（L_ESL）得到，即

f₀=

（2）

當(dāng)一個(gè)電容器工作頻率在f₀以下時(shí)，其阻抗隨頻率的上升而減小，即

Z_C=

（3）

當(dāng)電容器工作頻率在f₀以上時(shí)，其阻抗會(huì)隨頻率的上升而增加，即

Z_C=j2πfL_ESL（4）

當(dāng)電容器工作頻率接近f₀時(shí)，電容阻抗就等于它的等效串聯(lián)電阻（R_ESR）。

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(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(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)不同特性的電容器可以并聯(lián)起來使用。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。

圖3 多個(gè)電容器并聯(lián)可改善阻抗特性

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(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（V_in）至負(fù)載（R_L）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V_in正極至R_L和V_in負(fù)極至R_L的走線應(yīng)盡量靠近。

（a）效果差的走線方式（b）效果好的走線方式

圖4 濾波電路PCB走線方式

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B（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（A_C）很大，就會(huì)在此環(huán)路的內(nèi)外部產(chǎn)生很大的電磁干擾。

圖5 電感結(jié)構(gòu)和寄生等效并聯(lián)電容和電阻

電感的基本公式是

（5）

從式（5）可知，減小環(huán)路的面積（A_C）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（C_P）二個(gè)寄生參數(shù)。圖6是電感在不同工作頻率下的阻抗（Z_L）。

圖6 電感阻抗（Z_L）曲線

諧振頻率（f₀）可以從電感自身電感值(L)和它的等效并聯(lián)電容值（C_P）得到，即

f₀=

（6）

當(dāng)一個(gè)電感工作頻率在f₀以下時(shí),電感阻抗隨頻率的上升而增加，即

Z_L=j2πfL（7）

當(dāng)電感工作頻率在f₀以上時(shí)，電感阻抗隨頻率的上升而減小，即

Z_L=

（8）

當(dāng)電感工作頻率接近f₀時(shí)，電感阻抗就等于它的等效并聯(lián)電阻（R_EPR）。

在開關(guān)電源中電感的C_P應(yīng)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)由于線圈結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生不同的C_P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C_P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C_P值是1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1和5非?？拷?。這種線圈結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的C_P值是1匝線圈C值的兩倍。

（a）順序繞（b）交叉繞

圖7 不同線圈結(jié)構(gòu)造成不同等效并聯(lián)電容值

可以看到，相同電感量的兩種電感的C_P值居然相差達(dá)數(shù)倍。在高頻濾波上如果一個(gè)電感的C_P值太大，高頻噪音就會(huì)很容易地通過C_P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(gè)PCB上V_in通過L至負(fù)載（R_L）的不同走線方式。為了降低電感的C_P，電感的二個(gè)引腳應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。而V_in正極至R_L和V_in負(fù)極至R_L的走線應(yīng)盡量靠近。

（a）效果差的走線方式（b）效果好的走線方式

圖8 濾波電路PCB走線方式

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(huì)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(gè)接地層上方流過時(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(b)顯示當(dāng)高頻電流在同一個(gè)地層上方流過時(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有電流。一旦理解了鏡像面概念，我們很容易看到在圖10中地層面上走線的問題。

（a）直流

（b）交流

圖9 鏡像面概念

假設(shè)圖10中的地層面是開關(guān)電源PCB上的接地層 (Ground Plane)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該盡量避免在地層上放置任何功率或信號(hào)走線。一旦地層上的走線破壞了整個(gè)高頻環(huán)路，該電路會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁波輻射而破壞周邊電子器件的正常工作。

圖10 地層面上走線造成接地層的破壞

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(hào)走線。

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，如果對這些環(huán)路處理得不好的話,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(yīng)該控制得非常小。如圖11（a）所示，高頻電流環(huán)路面積很大，就會(huì)在環(huán)路的內(nèi)部和外部產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。同樣的高頻電流,當(dāng)環(huán)路面積設(shè)計(jì)得非常小時(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)變得非常安靜。

（a）環(huán)路面積大（b）環(huán)路面積小

圖11 高頻環(huán)路

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上放置很多過孔（VIAS）。但是，必須避免在高頻電流返回路徑上放置過多過孔。否則，地層上高頻電流走線會(huì)遭到破壞。如果必須在高頻電流路徑上放置一些過孔的話，過孔之間可以留出一些空間讓高頻電流順利通過。圖12顯示了過孔放置方式。

圖12 過孔放置方式

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(shí)應(yīng)注意不同焊盤的形狀會(huì)產(chǎn)生不同的串聯(lián)電感。圖13顯示了幾種焊盤形狀的串聯(lián)電感值。

圖13 焊盤寄生串聯(lián)電感

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(cuò)誤的放置方式。

（a）非常差（b）一般

（c）好（d）最好

圖14旁路電容正確和錯(cuò)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)生的電磁干擾，輸出電源走線必須像圖15（b）那樣靠得很近，使輸出電流環(huán)路的面積盡可能減小。

（a）較大的電流環(huán)路（b）較小的電流環(huán)路

圖15 電源輸出直流電流環(huán)路

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(huì)同時(shí)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(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。

圖16 電路接地層與電源接地層的單點(diǎn)連接

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。

2 開關(guān)電源PCB排版例子

圖17是一個(gè)在消費(fèi)類電子產(chǎn)品上應(yīng)用的降壓式開關(guān)電源原理圖。設(shè)計(jì)人員應(yīng)能在此線路圖上區(qū)分出功率電路中元器件和控制信號(hào)電路中元器件。如果設(shè)計(jì)者將該電源中所有的元器件當(dāng)作數(shù)字電路中的元器件來處理，則問題會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重。通常首先需要知道電源高頻電流的路徑，并區(qū)分小信號(hào)控制電路和功率電路元器件及其走線。一般來講，電源的功率電路主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(yīng)管。控制電路主要包括PWM控制芯片、旁路電容、自舉電路、反饋分壓電阻、反饋補(bǔ)償電路。

圖17一個(gè)典型降壓式開關(guān)電源原理圖（12V輸入，3.3V/15A輸出）

〔電源控制電路（細(xì)線）、功率電路（粗線）〕

2.1 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定整個(gè)電源工作是否正常。設(shè)計(jì)人員首先要對開關(guān)電源功率器件上的電壓和電流的波形有一定的了解。

圖18顯示一個(gè)降壓式開關(guān)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（C_in），上端場效應(yīng)管（S₁）和下端場效應(yīng)管（S₂）中所流過的電流是帶有高頻率和高峰值的交流電流，所以由C_in-S₁-S₂所形成的環(huán)路面積要盡量減小。同時(shí)由S₂，L和輸出濾波電容（C_out）所組成的環(huán)路面積也要盡量減小。

圖18 開關(guān)電源功率電路上的電流和電壓

如果設(shè)計(jì)者未按本文所述的要點(diǎn)來制作功率電路PCB，很可能制作出圖19所示的電源PCB。

圖19 不正確的開關(guān)電源功率器件放置和走線

圖19的PCB排版存在許多錯(cuò)誤：第一，由于C_in有很大的ESL，C_in的高頻濾波能力基本上消失；第二，C_in-S₁-S₂和S₂-L-C_out環(huán)路的面積太大，所產(chǎn)生的電磁噪音會(huì)對電源本身和周邊電路造成很大干擾；第三，L的焊盤靠得太近，造成C_P太大而降低了它的高頻濾波功能；第四，C_out焊盤引線太長，造成ESL太大而失去了高頻濾波功能。

圖20是一個(gè)比較好的電源功率電路PCB走線。C_in-S₁-S₂和S₂-L-C_out環(huán)路的面積已控制到最小。S₁的源極，S₂的漏極和L之間的連接點(diǎn)是一整塊銅片焊盤。由于該連接點(diǎn)上的電壓是高頻，S₁、S₂和L需要靠得非常近。雖然L和C_out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降低直流阻抗的損耗使電源的效率得到提高。如果成本上允許，電源可用一面完全是接地層的雙面PCB，但必須注意在地層上盡量避免走功率和信號(hào)線。在電源的輸入和輸出端口還各增加了一個(gè)瓷片電容器來改善電源的高頻濾波性能。

圖20 正確的開關(guān)電源功率器件放置和走線

2.2 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(huì)造成電源輸出電壓的漂移和振蕩?？刂凭€路應(yīng)放置在功率電路的邊上，絕對不能放在高頻交流環(huán)路的中間。旁路電容要盡量靠近芯片的VCC和接地腳（GND）。反饋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。

電源排版基本要點(diǎn)7 控制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。

2.3 開關(guān)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(gè)低價(jià)PWM控制器（Semtech型號(hào)SC1104A）。PCB下層是一個(gè)完整的接地層。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）。SC1104A被放置在PCB的左下端。因?yàn)?，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(jìn)行分隔。如果輸入插座是放置在PCB的左下端，那么在地層上功率電路電流會(huì)直接通過控制電路，這時(shí)就有必要將二者分隔。

圖21 降壓式開關(guān)電源PCB上層圖（下層是接地層）

2.4 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。此電源上使用了一個(gè)集成電源控制器(Semtech型號(hào)SC4519)。這種控制器將一個(gè)功率管集成在電源控制器芯片中。這樣的電源非常簡單，尤其適合應(yīng)用在便攜式DVD機(jī)，ADSL，機(jī)頂盒等消費(fèi)類電子產(chǎn)品。

圖22 一種簡單降壓式開關(guān)電源（12V輸入，3.3V/3A輸出）

同前面例子一樣，對于這種簡單開關(guān)電源，在PCB排版時(shí)也應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）由輸入濾波電容（C₃），SC4519的接地腳（GND），和D₂所圍成的環(huán)路面積一定要小。這意味著C₃及D₂必須非?？拷黃C4519。

2）可采用分隔的功率電路接地層和控制電路接地層。連接到功率地層的元器件包括輸入插座（V_IN），輸出插座（V_OUT），輸入濾波電容（C₃），輸出濾波電容（C₂），D₂，SC4519。連接到控制地層的元器件包括輸出分壓電阻（R₁，R₂），反饋補(bǔ)償電路（R₃，C₄，C₅），使能插座（EN），同步插座（SYNC）。

3）在SC4519接地腳的附近加一個(gè)過孔將功率電路接地層與控制信號(hào)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。為了方便讀者理解，功率接地層和控制信號(hào)接地層分別用不同顏色來表示。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，而對于噪音較敏感的反饋補(bǔ)償電路（R₃，C₄，C₅）則被放在PCB右邊并靠近控制信號(hào)接地層。D₂非?？拷黃C4519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下層并非?？拷黃C4519和功率接地層。

圖23 電源PCB上層走線（除C₃外所有元器件都放置在此面）

圖24 電源PCB下層走線（只有C₃放置在此面）

2.5 開關(guān)電源PCB排版例3

最后討論一種多路輸出開關(guān)電源PCB排版要點(diǎn)。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）。該電源使用了一集成多路開關(guān)控制器（Semtech型號(hào)SC2453）。SC2453提供了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。它還提供了一個(gè)專用可調(diào)配正壓線性調(diào)節(jié)器和一個(gè)專用可調(diào)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)換器可以減小輸入電流紋波。圖25是這種多路開關(guān)電源的原理圖。其中3.3V輸出由5V輸入產(chǎn)生，1.2V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必須被放置在一個(gè)面積較小的PCB上，為此必須將電源的功率地層和控制信號(hào)地層分隔開來。參照前面幾節(jié)中討論過的要點(diǎn)，首先將圖25中連接到功率地層的元器件和連接到控制信號(hào)地層的元器件區(qū)分開來,然后將控制信號(hào)元器件放在信號(hào)地層上并靠近SC2453?？刂菩盘?hào)地層與功率地層通過單點(diǎn)相連接。這連接點(diǎn)通常會(huì)選擇在控制芯片的接地腳（SC2453中的腳21）。圖26詳細(xì)描述了該電源排版方式。