開關(guān)電源的輸入電容的PCB設(shè)計技巧

在設(shè)計開關(guān)電源電路的PCB時，輸入電容的布局和布線至關(guān)重要，它直接影響電路的性能、效率和EMI表現(xiàn)。以下是輸入電容的PCB設(shè)計技巧：

1. 盡量靠近功率開關(guān)和輸入端

• 理由：輸入電容的主要作用是為開關(guān)管提供瞬態(tài)電流，減少電壓波動。將輸入電容靠近功率開關(guān)（MOSFET或IC）和輸入引腳，可以最大程度降低寄生電感引起的電壓尖峰。

• 做法：將輸入電容緊貼Buck控制器或功率開關(guān)的VIN和GND引腳。

  如下圖中，case1是中規(guī)中矩靠近芯片防止，檢測到其輻射的噪聲是圖中紅色的曲線；

  case2是故意將電容立起來，可以看到是噪聲最大，藍(lán)色的曲線；

  case3是將輸入電容跨接在VIN和GND之間，走線距離實(shí)現(xiàn)最短，是圖中綠色曲線，噪聲最小。

2. 優(yōu)先使用低ESR和低ESL電容

• 理由：輸入電容需要快速響應(yīng)高頻電流，低ESR（等效串聯(lián)電阻）和低ESL（等效串聯(lián)電感）電容可以更高效地濾除高頻噪聲。

• 做法：組合使用陶瓷電容（濾除高頻噪聲）和電解電容或鉭電容（提供大容量）。

  
  

  
  

  

  實(shí)際電容器

  
  

  

3. 減小電流回路面積

• 理由：Buck電路輸入端的高頻電流在輸入電容和功率開關(guān)之間流動，回路面積越大，輻射EMI和寄生電感越高。

• 做法：確保輸入電容的接地端（GND）與功率開關(guān)的接地端之間的路徑最短。盡量將VIN和GND之間的回路做成小環(huán)。

  
  

  
  

4. 優(yōu)化地平面連接

• 理由：輸入電容的接地端需要直接連接到功率開關(guān)或IC的接地端，如果連接路徑長或者有電流分流，會導(dǎo)致地電位不穩(wěn)定。

• 做法：

• 在電容接地端下方鋪設(shè)完整的地平面。

• 使用多個過孔將電容的GND焊盤連接到地平面。

  

5. 多顆電容并聯(lián)優(yōu)化布局

• 理由：單顆大容量電容可能無法提供足夠低的ESR和ESL，多顆小容量電容并聯(lián)可以分擔(dān)高頻電流并降低寄生參數(shù)。

• 做法：

• 并聯(lián)多顆陶瓷電容，通常選擇 10μF、1μF 和 0.1μF 的組合。

• 將不同容量的電容按頻率需求排布：高頻需求的電容更靠近開關(guān)。

  
  

  實(shí)際的電容存在寄生電感與等效串聯(lián)電阻。由于單個電容的ESR、ESL相近，他們的阻抗特性也是相近的，單個電容與多個特性相同的電容并聯(lián)阻抗特性圖

  

  容值不同的電容

  

  所以在這個場景中，我們需要一種：

  1、1nF~10uF容量，精度要求不高；

  2、由于用量比較大（電源管腳比較多），成本比較低、相同容量情況下體積比較小的電容；

  3、ESR、ESL比較小的電容。（需要去耦的信號頻率比較高，并保證去耦效果）

6. 避免使用長走線連接輸入電容

• 理由：長走線增加寄生電感，導(dǎo)致輸入端電壓波動加劇，并可能產(chǎn)生尖峰電壓。

• 做法：輸入電容與控制器輸入引腳之間的路徑應(yīng)盡可能短且直接，避免過長或多轉(zhuǎn)角的布線。

  
  

  

  
  

8. 檢查熱分布

• 理由：輸入電容處于高頻電流中，可能因功耗引起發(fā)熱。

• 做法：

• 確保電容周圍有良好的散熱路徑。

• 如果使用多個電容分擔(dān)電流，注意均勻布置它們，減少局部過熱。

  

  要關(guān)注電容周圍的熱源，也要關(guān)注電容的自發(fā)熱，要關(guān)注上圖中其能夠承受的最大有效電流的值。
  

通過以上技巧，可以顯著優(yōu)化開關(guān)電源電路輸入電容的PCB設(shè)計，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率，并降低EMI問題。如果需要更具體的示意圖或工具支持，可以進(jìn)一步討論！