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。
圖4 高頻交流環(huán)路
過(guò)孔放置不應(yīng)破壞高頻交流電流在地層上路徑
許多設(shè)計(jì)人員喜歡在多層PCB上放置很多過(guò)孔(VIAS)。但是必須避免在高頻交流電流返回路徑上放置過(guò)多過(guò)孔。否則，地層上高頻交流電流走線會(huì)遭到破壞。如果必須在高頻交流電流路徑上放置一些過(guò)孔的話，過(guò)孔之間可以留出一些空間讓高頻交流電流順利通過(guò)。圖5(a)顯示了過(guò)孔放置方式。
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5(b)顯示了幾種焊盤形狀的串聯(lián)電感值。
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(duì)，它的高頻濾波功能也就消失了。圖5( c )顯示了旁路電容正確和錯(cuò)誤的放置方式。
圖5(a) 過(guò)孔放置方式圖 5(b) 焊盤寄生串聯(lián)電感圖 5(c) 旁路電容正確和錯(cuò)誤的放置方式
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到電源自身或周邊電子器件所產(chǎn)生的電磁波干擾，輸出電源走線必須像圖6中那樣靠得很近。輸出電流環(huán)路的面積也必須減小。
圖6 電源輸出直流電流環(huán)路
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(guò)單點(diǎn)與電源接地層相連接
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)字電路及開關(guān)電源電路。為了減小開關(guān)電源噪音對(duì)敏感的模擬和數(shù)手電路的影響，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(lái)分隔。如果整個(gè)產(chǎn)品只有一層接地層，則必須像圖7中那樣在單層中分隔。無(wú)論是在多層PCB上進(jìn)行地層分隔或是在單層PCB上進(jìn)行地層分隔，不同電路的地層都應(yīng)該通過(guò)單點(diǎn)與開關(guān)中源的接地相連接.
圖7 電路接地層與電源接地層的單店連接
開關(guān)電源PCB排版技術(shù)規(guī)則應(yīng)用舉例
回到圖8(a)的開關(guān)電源原理圖;通常首先需要知道電源高頻交流電流的路徑，并能夠區(qū)分小信號(hào)控制電路和功率電路元器件及其走線、圖8(a)將傳統(tǒng)電源原理圖(即,沒(méi)有粗黑線的電路圖)區(qū)分成控制電路部分和功率電路部分。一般來(lái)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(chǎng)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8(a) 電源控制電路(細(xì)線)和功率電路(粗線)
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。圖8(b)更進(jìn)一步顯示一個(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(CIN)，上端場(chǎng)效應(yīng)管(Q1)和下端場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)中所流過(guò)的電流是帶有高頻率和高峰值的交流電流，所以由CIN-Q1-Q2所形成的環(huán)路面積要盡量減小。同時(shí)由下端場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)，電感(L)，和輸出濾波電容(Cout)所組成的環(huán)路面積也需要盡量減小。
圖8(b) 開關(guān)電源功率電路上的電流和電壓
如果未按照上述PCB排版技術(shù)規(guī)則的要點(diǎn)來(lái)制作功率電路PCB,很可能制作出有許多錯(cuò)誤的電源PCB。
圖8(c)是一個(gè)比較好的電源功率電路PCB走線。
圖8(c) 正確的開關(guān)電源功率器件放置和走線
CIN-Q1-Q2和Q2-L-Cout環(huán)路的面積已控制得最小。上端場(chǎng)效應(yīng)管(Q)的源極，下端場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)的漏極和輸出電感(L)之間的連接點(diǎn)是一整塊銅片焊盤。由于該連接點(diǎn)上的電壓是高頻和交流，Q1和Q2和乙需要靠得非常近。雖然輸出濾波電感(L)和輸出濾波電容(Cout)之間的走線上沒(méi)有高峰值的高頻交流電流，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(lái)改善電源的高頻濾波性.
電源控制電路PCB排版
電源控制電路PCB排版技術(shù)規(guī)則應(yīng)是控制芯片至上端和下端場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路環(huán)路要盡量短。
電源控制電路PCB排版也是非常重要。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(duì)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(chǎng)效應(yīng)管的環(huán)路也要盡量減短。
結(jié)語(yǔ)
上述開關(guān)電源PCB排版的排版技術(shù)規(guī)則要點(diǎn)應(yīng)在實(shí)踐中逐步掌握與應(yīng)用,使所設(shè)計(jì)的便攜式開關(guān)電源的高質(zhì)量符合便攜式電子糸統(tǒng)的指標(biāo)。
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