開關電源PCB排版基本要點 開關電源PCB排版基本要點
摘要：開關電源PCB排版是開發電源產品中的一個重要過程。許多情況下，一個在紙上設計得非常完美的電源可能在初次調試時無法正常工作，原因是該電源的PCB排版存在著許多問題．詳細討論了開關電源PCB排版的基本要點，并描述了一些實用的PCB排版例子。
關鍵詞：PCB排版；開關電源
O 引言
為了適應電子產品飛快的更新換代節奏，產品設計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的線路板上。由于開關電源產生的電磁干擾會影響到其電子產品的正常工作，正確的電源PCB排版就變得非常重要。開關電源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PCB軟件來自動排列，且芯片之間的連接線可以通過PCB軟件來自動連接。用自動排版方式排出的開關電源肯定無法正常工作。所以，沒計人員需要對開關電源PCB排版基本規則和開關電源工作原理有一定的了解。
1 開關電源PCB排版基本要點
l.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電阻(ESR)和等效串聯電感(ESL)二個寄生參數。圖2是電容器在不同工作頻率下的阻抗(Zc)。
一個電容器的諧振頻率(fo)可以從它自身電容量(C)和等效串聯電感量(LESL)得到，即
當一個電容器工作頻率在fo以下時，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，其阻抗會隨頻率的上升而增加，即
當電容器工作頻率接近fo時，電容阻抗就等于它的等效串聯電阻(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電感，因而它的諧振頻率會高于電解電容器，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，多個不同特性的電容器可以并聯起來使用。圖3是多個不同特性的電容器并聯后阻抗改善的效果。
電源排版基本要點1 旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯電感應盡量小，多個電容器并聯能改善電容的高頻阻抗特性。
圖4顯示了在一個PCB上輸入電源(Vin)至負載(RL)的不同走線方式。為了降低濾波電容器(C)的ESL，其引線長度應盡量減短；而Vin。正極至RL和Vin負極至R1的走線應盡量靠近。
1．2 電感高頻濾波特性
圖5中的電流環路類似于一匝線圈的電感。高頻交流電流所產生的電磁場R(t)將環繞在此環路的外部和內部。如果高頻電流環路面積(Ac)很大，就會在此環路的內外部產生很大的電磁干擾。
電感的基本公式是
從式(5)可知，減小環路的面積(Ac)和增加環路周長(lm)可減小L。
電感通常存在等效并聯電阻(EPR)和等效并聯電容(Cp)二個寄生參數。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)和它的等效并聯電容值(Cp)得到，即
當一個電感工作頻率在fo以下時，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，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，電感阻抗就等于它的等效并聯電阻(REPR)。
在開關電源中電感的Cp應該控制得越小越好。同時必須注意到，同一電感量的電感會由于線圈結構不同而產生不同的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。這種線圈結構的Cp值是l匝線圈等效并聯電容值(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非常靠近。這種線圈結構所產牛的Cp是1匝線圈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電感的Cp值太大，高頻噪音就會很容易地通過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PCB上Vin通過L至負載(RL)的不同走線方式。為了降低電感的Cp,電感的二個引腳應盡量遠離。而Vin正極至RL和Vin負極至RL的走線應盡量靠近。
電源排版基本要點2 電感的寄生并聯電容應盡量小，電感引腳焊盤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關電源的PCB排版會有很大的幫助。圖9是鏡像面的基本概念。
圖9(a)是當直流電流在一個接地層上方流過時的情景。此時在地層上的返回直流電流非常均勻地分布在整個地層面上。圖9(h)顯示當高頻電流在同一個地層上方流過時的情景。此時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中地層面上走線的問題。接地層(Ground Plane)，沒汁人員應該盡量避免在地層上放置任何功率或信號走線。一旦地層上的走線破壞了整個高頻環路，該電路會產牛很強的電磁波輻射而破壞周邊電子器件的正常工作。
電源排版基本要點3 避免在地層上放置任何功率或信號走線。
1．4 高頻環路
開關電源中有許多由功率器件所組成的高頻環路，如果對這△環路處嬋得不好的話，就會對電源的正常工作造成很大影響。為了減小高頻環路所產生的電磁波噪音，該環路的面積應該控制得非常小。如圖l1(a)所示，高頻電流環路面積很大，就會在環路的內部和外部產生很強的電磁于擾。同樣的高頻電流，當環路面積設計得非常小時，如圖11(b)所示，環路內部和外部電磁場互相抵消，整個電路會變得非常安靜。
電源排版基本要點4 高頻環路的面積應盡可能減小。
1.5 過孔和焊盤放置
許多設計人員喜歡在多層PCB卜放置很多過孔(VIAS)。但是，必須避免在高頻電流返同路徑上放置過多過。否則，地層上高頻電流走線會遭到破壞。如果必須在高頻電流路徑上放置一些過孔的活，過孔之間可以留出一空間讓高頻電流順利通過，圖12顯示了過孔放置方式。
電源排版基本要點5 過孔放置不應破壞高頻電流在地層上的流經。
設計者同時應注意不同焊盤的形狀會產生不同的串聯電感。圖13顯示了兒種焊盤形狀的串聯電感值。
旁路電容(Decouple)的放置也要考慮到它的串聯電感值。旁路電容必須是低阻抗和低ESL乩的瓷片電容。但如果一個高品質瓷片電容在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
許多開關電源的負載遠離電源的輸出端口。為了避免輸出走線受電源自身或周邊電子器件所產生的電磁下擾，輸出電源走線必須像圖l5(b)那樣靠得很近，使輸出電流環路的面積盡可能減小。
l.7 地層在系統板上的分隔
新一代電子產品系統板七會同時有模擬電路、數字電路、開關電源電路。為了減小丌關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板層來分隔。如果整個產品只有一層接地層，則必須像圖16中那樣在單層中分隔。無論是在多層PCB上進行地層分隔還是在單層PCB 上進行地層分隔，不同電路的地層都應該通過單點與開關電源的接地層相連接。
電源排版基本要點6 系統板七不同電路需要不同接地層，不同電路的接地層通過單點與電源接地層相連接。
2 開關電源PCB排版例子
壓式開關電源原理圖。設汁人員應能在此線路圖上區分出功率電路中元器件和控制信號電路中元器件。如果設計者將該電源中所有的元器件當作數字電路中的元器件來處理，則問題會相當嚴重。通常首先需要知道電源高頻電流的路徑，并區分小信號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、反饋補償電路。
2.l 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電源工作是否正常。設計人員首先要對開關電源功率器件上的電壓和電流的波形有一一定的了解。
圖18顯示一個降壓式開關電源功率電路元器件卜的電流和電壓波形。由于從輸入濾波電容(Cin)，上端場效應管(S1)和F端場效應管(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Cin-S1-S2所形成的環路面積要盡量減小。同時由S2，L和輸出濾波電容(Cout)所組成的環路面積也要盡量減小。
如果設汁者未按本丈所述的要點來制作功率電路PCB，很可能制作出網19所示的電源PCB，圖19的PCB排版存在許多錯誤：第一，由于Cin有很大的ESL，Cin的高頻濾波能力基本上消失；第二，Cin-S1-S2和S1-LCout環路的面積太大，所產生的電磁噪音會對電源本身和周邊電路造成很大于擾；第三，L的焊盤靠得太近，造成Cp太大而降低了它的高頻濾波功能；第四，Cout焊盤引線太長，造成FSL太大而失去了高頻濾波線。 Cin-S1-S2和S2-L-Cout環路的面積已控制到最小。S1的源極，S2的漏極和L之問的連接點是一整塊銅片焊盤。由于該連接點上的電壓是高頻，S1、S2和L需要靠得非常近。雖然L和Cout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，但必須注意在地層卜盡量避免走功率和信號線。在電源的輸入和輸出端口還各增加了一個瓷片電容器來改善電源的高頻濾波性能。
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。不合理的排版會造成電源輸出電壓的漂移和振蕩。控制線路應放置在功率電路的邊上，絕對不能放在高頻交流環路的中間。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。芯片驅動至場效應管的環路也要盡量減短。
電源排版基本要點7 控制芯片至上端和下端場效應管的驅動電路環路要盡量短。
2.3開關電源PCB排版例1
圖21是圖17 PCB的元器件面走線圖。此電源中采用了一個低價PWM控制器(Semtech型號SCIIO4A)。PCB下層是一個完整的接地層。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)。SCll04A被放置在PCB的左下端。因為，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直接通過控制電路，這時就有必要將二者分隔。
2．4開關電源PCB排版例2
圖22是另一種降壓式開關電源，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。此電源上使用了一個集成電源控制器(Semtech型號SC4519)。這種控制器將一個功率管集成在電源控制器芯片中。這樣的電源非常簡單，尤其適合應用在便攜式DVD機，ADSL，機頂盒等消費類電子產品。
同前面例子一樣，對于這種簡單開關電源，在PCB排版時也應注意以下幾點。
1)由輸入濾波電容(C3)，SC4519的接地腳(GND)，和D2所圍成的環路面積一定要小。這意味著C3及D2必須非常靠近SC4519。
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(VIN)，輸出插座(VOUT)，輸入濾波電容(C3)，輸出濾波電容(C2)，D2，SC4519。連接到控制地層的元器件包括輸出分壓電阻(R1，R2)，反饋補償電路(R3，C4，C3，)，使能插座(EN)，同步插座(SYNC)。
3)在SC4519接地腳的附近加個過孔將功率電路接地層與控制信號電路接地層單點式的相連接。
圖23是該電源PCB上層排版圖。為了力便讀者理解，功率接地層和控制信號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償電路(R3，C4，C5)則被放存PCB右邊并靠近控制信號接地層。D2非常靠近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下層并非常靠近SC4519和功率接地層。
2.5開關電源PCB排版例3
最后討論一種多路輸出開關電源PCB排版要點。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，一集成多路開關控制器(Serotech型號SC2453)。SC2453提供了4.5V～30V的寬輸入電壓范圍，兩個高達700kHz開關頻率和高達15A輸出電流，以及低至0.5V輸出電壓的同步降壓轉換器。它還提供了一個專用可調配正壓線性調節器和一個專用可調配負壓線性調節器。TSSOP-28封裝減小了所需線路板面積。兩個異相降壓轉換器可以減小輸入電流紋波。圖25是這種多路開關電源的原理圖。其中3.3V輸出由5V輸人產生，l.2V輸出由12V輸入產生，2.6V和1.8V輸出由3.3V輸入產生。由于該電源上所有元器件都必須被放置在一個面積較小的PCB上，為此必須將電源的功率地層和控制信號地層分隔開來。參照前面幾節中討論過的要點，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地層的元器件區分開來，然后將控制信號元器件放在信號地層上并靠近SC2453控制信號地層與功率地層通過單點相連接。這連接點通常會選擇在控制芯片的接地腳(SC2453中的腳21)。圖26詳細描述了該電源排版方式。
電源排版基本要點8 開關電源功率電路和控制信號電路下的元器件需要連接不同的接地層，這二個地層一般都是通過單點相連接。
3 結語
開關電源PCB排版的8個要點：
1)旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯電感應盡量小，多個電容并聯能改善電容的阻抗特性；
2)電感的寄生并聯電容應盡量小，電感引腳焊盤之間的距離越遠越好；
3)避免在地層上放置任何功率或信號走線；
4)高頻環路的面積應盡可能減小；
5)過孔放置小應破壞高頻電流在地層上的路徑；
6)系統板上一小同電路需要不同接地層，小同電路的接地層通過單點與電源接地層相連接；
7)控制芯片至上端和下端場效應管的驅動電路環路要盡量短；
8)開關電源功率電路和控制信號電路元器件需要連接到小同的接地層，這二個地層一般都是通過單點相連接。
