便攜式系統(tǒng)開關(guān)電源PCB排版技術(shù)

當(dāng)今, 由于開關(guān)電源會(huì)產(chǎn)生電磁波而影響到其電子產(chǎn)品的正常工作，則正確的電源PCB排版技術(shù)就變得非常重要。

許多情況下，一個(gè)在紙上設(shè)計(jì)得非常完美的電源可能在初次調(diào)試時(shí)無(wú)法正常工作，原因是該電源的PCB排版存在著許多問(wèn)題.例如,對(duì)一個(gè)消費(fèi)類電子設(shè)備上的降壓式開關(guān)電源原理圖來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)人員應(yīng)能夠在此線路圖上區(qū)分功率電路中元器件和控制信號(hào)電路中元器件,但如果設(shè)計(jì)者將這電源中所有的元器件當(dāng)作數(shù)字電路中的元器件一樣來(lái)處理，則問(wèn)題會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重。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(guò)PCB軟件來(lái)自動(dòng)排列且芯片之間的連接線可以通過(guò)PCB軟件來(lái)自動(dòng)連接。用自動(dòng)排版方式所排版出的開關(guān)電源肯定無(wú)法正常工作。所以，設(shè)計(jì)人員需要掌握和了解正確的開關(guān)電源PCB排版技術(shù)規(guī)則。

開關(guān)電源PCB排版技術(shù)規(guī)則

旁路瓷片電容器的電容量不能太大，而它的寄生串聯(lián)電感量應(yīng)該盡量減小。多個(gè)電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性

當(dāng)一個(gè)電容器工作頻率在fo以下時(shí)，電容阻抗Zc隨頻率的上升而減小;當(dāng)電容器工作頻率在fo以上時(shí)，電容阻抗Zc會(huì)變得像電感阻抗一樣隨頻率的上升而增加;當(dāng)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電容量和很大等效串聯(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(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1(a)是多個(gè)不同特性的電容器并聯(lián)后改善的阻抗效果。通過(guò)分析就不難理解此排版規(guī)則的重要了。圖1(b)顯示了在一個(gè)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，電容器引腳的引線長(zhǎng)度應(yīng)盡量減短：而VIN 正極至及RL 和VIN負(fù)極至RL的走線應(yīng)盡量靠近。

圖1(a) 多個(gè)電容器并聯(lián)可改善阻抗特性 圖1(b) 濾波電路PCB走線方式A差，B好

電感的寄生并聯(lián)電容量應(yīng)該盡量減小,電感引腳之間的距離越遠(yuǎn)越好

圖2(a)中的電流環(huán)路類似于只有一圈線圈繞組的電感?？梢钥吹礁哳l率交流電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)B(t)會(huì)環(huán)繞在此環(huán)路的外部和內(nèi)部。如果高頻交流電流環(huán)路面積(Ac)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2(a) 為電流環(huán)路類似于只有一圈線圈繞組的電感

當(dāng)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;當(dāng)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;當(dāng)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)。

在開關(guān)電源的應(yīng)用中電感的等效并聯(lián)電容(CP)應(yīng)該控制得越小越好。同時(shí)必須注意同一電感量的電感會(huì)由于線圈結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生不同的等效并聯(lián)電容值(CP)。

圖2(b)就顯示了同一電感量的電感在二種不同的線圈結(jié)構(gòu)下不同的等效并聯(lián)電容值。

圖2(b) 中第一種電感的五圈繞組是按順序繞制。這種線圈結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的等效并聯(lián)電容值(CP )是單組線圈等效并聯(lián)電容值(C)的五分之一。圖2(b)中第二種電感的五圈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)生的等效并聯(lián)電容值(Cp)是單組線圈等效并聯(lián)電容值(C)的兩倍。

可以看到，相同電感量的兩種電感的等效并聯(lián)電容值居然相差達(dá)十倍。在高頻濾波上如果一個(gè)電感的等效并聯(lián)電容值太大，高頻噪音就會(huì)很容易地通過(guò)它的并聯(lián)電容而直接流到負(fù)載上。這樣的電感也就失去了它的高頻濾波功能。

圖2(b) 不同線圈結(jié)構(gòu)造成不同等效并聯(lián)電容值

圖2(c)顯示了在一個(gè)PCB上輸入電源(VIN)通過(guò)電感(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(gè)引腳應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。而VIN 正極至RL和VIN 負(fù)極至RL上的走線應(yīng)盡量靠近。

圖2(c) 濾波電路PCB走線方式 A差 B好

避免在地層上放置任何功率或信號(hào)走線。

圖3(a)中的A圖是當(dāng)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3(a)中的B圖顯示當(dāng)高頻交流電流在同一個(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。假設(shè)圖3(b)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)高頻交流環(huán)路，該電路會(huì)產(chǎn)生很人的電磁波輻射而破壞周邊電子器件的正常工作。

圖3(a) 鏡像面概念 A直流 B交流圖 3(b) 地層面上走線造成接地層的破壞

高頻交流環(huán)路的面積應(yīng)該盡量減小

為了減小高頻交流環(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4所示，如果高頻交流電流環(huán)路面積Ac很大，就會(huì)在環(huán)路的內(nèi)部和外部產(chǎn)生很大的電磁干擾。如果同樣的高頻交流電流，當(dāng)環(huán)路面積設(shè)計(jì)得非常小時(shí)，環(huán)路內(nèi)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。