开关电源PCB排版基本要点.doc

开关电源PCB排版基本要点2019-08-28 11:08:00大中小摘要:开关电源PCB排版是开发电源产品中一个重要过程。许多情况下,一个在纸上设计得非常完美电源可能在初次调试时无法正常工作,,并描述了一些实用PCB排版例子。关键词:PCB排版;开关电源O引言   为了适应电子产品飞快更新换代节奏,产品设计工程师更倾向于选择在市场上很容易采购到AC/DC适配器,并把多组直流电源直接安装在系统线路板上。由于开关电源产生电磁干扰会影响到其电子产品正常工作,正确电源PCB排版就变得非常重要。开关电源PCB排版与数字电路PCB排版完全不一样。在数字电路排版中,许多数字芯片可以通过PCB软件来自动排列,且芯片之间连接线可以通过PCB软件来自动连接。用自动排版方式排出开关电源肯定无法正常工作。所以,没计人员需要对开关电源PCB排版基本规则与开关电源工作原理有一定了解。   图1是电容器基本结构与高频等效模型。   电容基本公式是      式(1)显示,减小电容器极板之间距离(d)与增加极板截面积(A)将增加电容器电容量。   电容通常存在等效串联电阻(ESR)与等效串联电感(ESL)二个寄生参数。图2是电容器在不同工作频率下阻抗(Zc)。   一个电容器谐振频率(fo)可以从它自身电容量(C)与等效串联电感量(LESL)得到,即      当一个电容器工作频率在fo以下时,其阻抗随频率上升而减小,即      当电容器工作频率在fo以上时,其阻抗会随频率上升而增加,即      当电容器工作频率接近fo时,电容阻抗就等于它等效串联电阻(RESR)。   电解电容器一般都有很大电容量与很大等效串联电感。由于它谐振频率很低,所以只能使用在低频滤波上。钽电容器一般都有较大电容量与较小等效串联电感,因而它谐振频率会高于电解电容器,并能使用在中高频滤波上。瓷片电容器电容量与等效串联电感一般都很小,因而它谐振频率远高于电解电容器与钽电容器,所以能使用在高频滤波与旁路电路上。由于小电容量瓷片电容器谐振频率会比大电容量瓷片电容器谐振频率要高,因此,在选择旁路电容时不能光选用电容值过高瓷片电容器。为了改善电容高频特性,多个不同特性电容器可以并联起来使用。图3是多个不同特性电容器并联后阻抗改善效果。   电源排版基本要点1旁路瓷片电容器电容不能太大,而它寄生串联电感应尽量小,多个电容器并联能改善电容高频阻抗特性。    图4显示了在一个PCB上输入电源(Vin)至负载(RL)不同走线方式。为了降低滤波电容器(C)ESL,其引线长度应尽量减短;而Vin。正极至RL与Vin负极至R1走线应尽量靠近。   图5中电流环路类似于一匝线圈电感。高频交流电流所产生电磁场R(t)将环绕在此环路外部与内部。如果高频电流环路面积(Ac)很大,就会在此环路内外部产生很大电磁干扰。   电感基本公式是      从式(5)可知,减小环路面积(Ac)与增加环路周长(lm)可减小L。   电感通常存在等效并联电阻(EPR)与等效并联电容(Cp)二个寄生参数。图6是电感在不同工作频率下阻抗(ZL)。   谐振频率(fo)可以从电感自身电感值(L)与它等效并联电容值(Cp)得到,即      当一个电感工作频率在fo以下时,电感阻抗随频率上升而增加,即      当电感工作频率在fo以上时,电感阻抗随频率上升而减小,即      当电感工作频率接近fo时,电感阻抗就等于它等效并联电阻(REPR)。   在开关电源中电感Cp应该控制得越小越好。同时必须注意到,同一电感量电感会由于线圈结构不同而产生不同Cp值。图7就显示了同一电感量电感在二种不同线圈结构下不同Cp值。图7(a)电感5匝绕组是按顺序绕制。这种线圈结构Cp值是l匝线圈等效并联电容值(C)1/5。图7(b)电感5匝绕组是按交叉顺序绕制。其中绕组4与5放置在绕组1、2、3之间,而绕组l与5非常靠近。这种线圈结构所产牛Cp是1匝线圈C值两倍。   可以看到,相同电感量两种电感Cp值居然相差达数倍。在高频滤波上如果一个电感Cp值太大,高频噪音就会很容易地通过Cp直接耦合到负载上。这样电感也就失去了它高频滤波功能。   图8显示了在一个PCB上Vin通过L至负载(RL)不同走线方式。为了降低电感Cp,电感二个引脚应尽量远离。而Vin正极至RL与Vin负极至RL走线应尽量靠近。   电源排版基本要点2电感寄生并联电容应尽量小,电感引脚焊盘之间距离越远越好。   电磁理论中镜像面概念对设计者掌握开关电源PCB排版会有很大帮助。图9是镜像面基本概念。   图9(a)是当直流电流在一个接