摘要：摘要：开关电源 PCB 排版是开发电源产品中的一个重要过程。许多情况下，一 个在纸上设计得非常完美的电源可能在初次调试时无法正常工作，原因是该电 源的 PCB 排版存在着许多问题详细讨论了开关电源 PCB 排版的基本要点，并 描述了一些实用的 PCB 排版例子。关键词：关键词：PCB 排版；开关电源 0 0、引言、引言为了适应电子产品飞快的更新换代节奏，产品设计工程师更倾向于选择在 市场上很容易采购到的 ACDC 适配器，并把多组直流电源直接安装在系统的线 路板上。由于开关电源产生的电磁干扰会影响到其电子产品的正常工作，正确 的电源 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 芯片之间的连接线可以通过 PCB 软件来自动连接。用自动排版方式排出的开关 电源肯定无法正常工作。所以，没计人员需要对开关电源 PCB 排版基本规则和 开关电源工作原理有一定的了解。1 1、 开关电源开关电源 PCBPCB 排版基本要点排版基本要点 1.1 电容高频滤波特性图 1 是电容器基本结构和高频等效模型。电容的基本公式是式(1)显示，减小电容器极板之间的距离(d)和增加极板的截面积(A)将增 加电容器的电容量。电容通常存在等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)二个寄生参数。图 2 是电容器在不同工作频率下的阻抗(Zc)。一个电容器的谐振频率(fo)可以从它自身电容量(C)和等效串联电感量 (LESL)得到，即当一个电容器工作频率在 fo 以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即当电容器工作频率在 fo 以上时，其阻抗会随频率的上升而增加，即当电容器工作频率接近 fo 时，电容阻抗就等于它的等效串联电阻(RESR)。电解电容器一般都有很大的电容量和很大的等效串联电感。由于它的谐振 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和较小 等效串联电感，因而它的谐振频率会高于电解电容器，并能使用在中高频滤波 上。瓷片电容器电容量和等效串联电感一般都很小，因而它的谐振频率远高于 电解电容器和钽电容器，所以能使用在高频滤波和旁路电路上。由于小电容量 瓷片电容器的谐振频率会比大电容量瓷片电容器的谐振频率要高，因此，在选 择旁路电容时不能光选用电容值过高的瓷片电容器。为了改善电容的高频特性，多个不同特性的电容器可以并联起来使用。图 3 是多个不同特性的电容器并联 后阻抗改善的效果。电源排版基本要点电源排版基本要点 1 1 旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电 感应尽量小，多个电容器并联能改善电容的高频阻抗特性。图 4 显示了在一个 PCB 上输入电源(Vin)至负载(RL)的不同走线方式。为了 降低滤波电容器(C)的 ESL，其引线长度应尽量减短；而 Vin。正极至 RL 和 Vin 负极至 R1 的走线应尽量靠近。1.2 电感高频滤波特性图 5 中的电流环路类似于一匝线圈的电感。高频交流电流所产生的电磁场 R(t)将环绕在此环路的外部和内部。如果高频电流环路面积(Ac)很大，就会在 此环路的内外部产生很大的电磁干扰。电感的基本公式是从式(5)可知，减小环路的面积(Ac)和增加环路周长(lm)可减小 L。电感通常存在等效并联电阻(EPR)和等效并联电容(Cp)二个寄生参数。图 6 是电感在不同工作频率下的阻抗(ZL)。谐振频率(fo)可以从电感自身电感值(L)和它的等效并联电容值(Cp)得到， 即当一个电感工作频率在 fo 以下时，电感阻抗随频率的上升而增加，即当电感工作频率在 fo 以上时，电感阻抗随频率的上升而减小，即当电感工作频率接近 fo 时，电感阻抗就等于它的等效并联电阻(REPR)。在开关电源中电感的 Cp 应该控制得越小越好。同时必须注意到，同一电感 量的电感会由于线圈结构不同而产生不同的 Cp 值。图 7 就显示了同一电感量的 电感在二种不同的线圈结构下不同的 Cp 值。图 7(a)电感的 5 匝绕组是按顺序 绕制。这种线圈结构的 Cp 值是 l 匝线圈等效并联电容值(C)的 15。图 7(b)电感的 5 匝绕组是按交叉顺序绕制。其中绕组 4 和 5 放置在绕组 1、2、3 之间， 而绕组 l 和 5 非常靠近。这种线圈结构所产牛的 Cp 是 1 匝线圈 C 值的两倍。可以看到，相同电感量的两种电感的 Cp 值居然相差达数倍。在高频滤波上 如果一个电感的 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。 这样的电感也就失去了它的高频滤波功能。图 8 显示了在一个 PCB 上 Vin 通过 L 至负载(RL)的不同走线方式。为了降 低电感的 Cp,电感的二个引脚应尽量远离。而 Vin 正极至 RL 和 Vin 负极至 RL 的走线应尽量靠近。电源排版基本要点电源排版基本要点 2 2 电感的寄生并联电容应尽量小，电感引脚焊盘之间的 距离越远越好。1.3 镜像面电磁理论中的镜像面概念对设计者掌握开关电源的 PCB 排版会有很大的帮 助。图 9 是镜像面的基本概念。图 9(a)是当直流电流在一个接地层上方流过时的情景。此时在地层上的返 回直流电流非常均匀地分布在整个地层面上。图 9(h)显示当高频电流在同一个 地层上方流过时的情景。此时在地层上的返回交流电流只能流在地层面的中间 而地层面的两边则完全没有电流。 一日理解了镜像面概念，我们很容易看到 在图 10 中地层面上走线的问题。接地层(Ground Plane)，没汁人员应该尽量避 免在地层上放置任何功率或信号走线。一旦地层上的走线破坏了整个高频环路， 该电路会产牛很强的电磁波辐射而破坏周边电子器件的正常工作。电源排版基本要点电源排版基本要点 3 3 避免在地层上放置任何功率或信号走线。14 高频环路开关电源中有许多由功率器件所组成的高频环路，如果对这环路处婵得 不好的话，就会对电源的正常工作造成很大影响。为了减小高频环路所产生的 电磁波噪音，该环路的面积应该控制得非常小。如图 l1(a)所示，高频电流环 路面积很大，就会在环路的内部和外部产生很强的电磁于扰。同样的高频电流， 当环路面积设计得非常小时，如图 11(b)所示，环路内部和外部电磁场互相抵 消，整个电路会变得非常安静。电源排版基本要点电源排版基本要点 4 4 高频环路的面积应尽可能减小。1.5 过孔和焊盘放置许多设计人员喜欢在多层 PCB 卜放置很多过孔(VIAS)。但是，必须避免在 高频电流返同路径上放置过多过。否则，地层上高频电流走线会遭到破坏。如 果必须在高频电流路径上放置一些过孔的活，过孔之间可以留出一空间让高频 电流顺利通过，图 12 显示了过孔放置方式。电源排版基本要点电源排版基本要点 5 5 过孔放置不应破坏高频电流在地层上的流经。设计者同时应注意不同焊盘的形状会产生不同的串联电感。图 13 显示了儿 种焊盘形状的串联电感值。旁路电容(Decouple)的放置也要考虑到它的串联电感值。旁路电容必须是 低阻抗和低 ESL 乩的瓷片电容。但如果一个高品质瓷片电容在 PCB 上放置的方 式不对，它的高频滤波功能也就消失了。图 14 显示了旁路电容正确和错误的放 置方式。16 电源直流输出许多开关电源的负载远离电源的输出端口。为了避免输出走线受电源自身 或周边电子器件所产生的电磁下扰，输出电源走线必须像图 l5(b)那样靠得很 近，使输出电流环路的面积尽可能减小。l.7 地层在系统板上的分隔新一代电子产品系统板上会同时有模拟电路、数字电路、开关电源电路。 为了减小开关电源噪音对敏感的模拟和数字电路的影响，通常需要分隔不同电 路的接地层。如果选用多层 PCB，不同电路的接地层可由不同 PCB 板层来分隔。 如果整个产品只有一层接地层，则必须像图 16 中那样在单层中分隔。无论是在 多层 PCB 上进行地层分隔还是在单层 PCB 上进行地层分隔，不同电路的地层都 应该通过单点与开关电源的接地层相连接。电源排版基本要点电源排版基本要点 6 6 系统板上不同电路需要不同接地层，不同电路的接地 层通过单点与电源接地层相连接。2 2、开关电源、开关电源 PCBPCB 排版例子排版例子设汁人员应能在此线路图上区分出功率电路中元器件和控制信号电路中元 器件。如果设计者将该电源中所有的元器件当作数字电路中的元器件来处理， 则问题会相当严重。通常首先需要知道电源高频电流的路径，并区分小信号控 制电路和功率电路元器件及其走线。一般来讲，电源的功率电路主要包括输入 滤波电容、输出滤波电容、滤波电感、上下端功率场效应管。控制电路主要包 括 PWM 控制芯片、旁路电容、自举电路、反馈分压电阻、反馈补偿电路。2.l 电源功率电路 PCB 排版电源功率器件在 PCB 上正确的放置和走线将决定整个电源工作是否正常。 设计人员首先要对开关电源功率器件上的电压和电流的波形有一一定的了解。图 18 显示一个降压式开关电源功率电路元器件上的电流和电压波形。由于 从输入滤波电容(Cin)，上端场效应管(S1)和 F 端场效应管(S2)中所流过的电流 是带有高频率和高峰值的交流电流，所以由 Cin-S1-S2 所形成的环路面积要尽 量减小。同时由 S2，L 和输出滤波电容(Cout)所组成的环路面积也要尽量减小。如果设汁者未按本文所述的要点来制作功率电路 PCB，很可能制作出网 19 所示的电源 PCB，图 19 的 PCB 排版存在许多错误： 第一，由于 Cin 有很大的 ESL，Cin 的高频滤波能力基本上消失； 第二，Cin-S1-S2 和 S1-LCout 环路的面积太大，所产生的电磁噪音会对电源本身和周边电路造成很大于扰； 第三，L 的焊盘靠得太近，造成 Cp 太大而降低了它的高频滤波功能； 第四，Cout 焊盘引线太长，造成 FSL 太大而失去了高频滤波线。 Cin-S1-S2 和 S2-L-Cout 环路的面积已控制到最小。S1 的源极，S2 的漏 极和 L 之问的连接点是一整块铜片焊盘。由于该连接点上的电压是高频， S1、S2 和 L 需要靠得非常近。虽然 L 和 Cout 之间的走线上没有高峰值的高频 电流，但比较宽的走线可以降低直流阻抗的损耗使电源的效率得到提高。如果 成本上允许，电源可用一面完全是接地层的双面 PCB，但必须注意在地层卜尽 量避免走功率和信号线。在电源的输入和输出端口还各增加了一个瓷片电容器 来改善电源的高频滤波性能。2.2 电源控制电路 PCB 排版电源控制电路 PCB 排版也是非常重要的。不合理的排版会造成电源输出电 压的漂移和振荡。控制线路应放置在功率电路的边上，绝对不能放在高频交流 环路的中间。旁路电容要尽量靠近芯片的 Vcc 和接地脚(GND)。反馈分压电阻最 好也放置在芯片附近。芯片驱动至场效应管的环路也要尽量减短。电源排版基本要点电源排版基本要点 7 7 控制芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要尽 量短。2.3 开关电源 PCB 排版例 1图 21 是图 17 PCB 的元器件面走线图。此电源中采用了一个低价 PWM 控制 器(Semtech 型号 SCIIO4A)。PCB 下层是一个完整的接地层。此 PCB 功率地层与 控制地层之间没有分隔。可以看到该电源的功率电路由输入插座(PCB 左上端) 通过输入滤波电容器(C1，C2，)，S1，S2，L1，输出滤波电容器 (C10,C11,C12,C13)，一直到输出插座(PCB 右下端)。SCll04A 被放置在 PCB 的 左下端。因为，在地层上功率电路电流不通过控制电路，所以，无必要将控制 电路接地层与功率电路接地层进行分隔。如果输入插座是放置在 PCB 的左下端， 那么在地层上功率电路电流会直接通过控制电路，这时就有必要将二者分隔。24 开关电源 PCB 排版例 2图 22 是另一种降压式开关电源，该电源能使 12V 输入电压转换成 33V 输 出电压，输出电流可达 3A。