便攜式系統(tǒng)開關電源PCB排版技術設計方案

當今, 由于開關電源會產生電磁波而影響到其電子產品的正常工作，則正確的電源排版技術就變得非常重要。

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，原因是該電源的排版存在著許多問題.例如,對一個消費類電子設備上的降壓式開關電源原理圖來說,設計人員應能夠在此線路圖上區(qū)分功率電路中元器件和控制信號電路中元器件,但如果設計者將這電源中所有的元器件當作數字電路中的元器件一樣來處理，則問題會相當嚴重。開關電源排版與數字電路排版完全不一樣。在數字電路排版中，許多數字芯片可以通過軟件來自動排列且芯片之間的連接線可以通過軟件來自動連接。用自動排版方式所排版出的開關電源肯定無法正常工作。所以，設計人員需要掌握和了解正確的開關電源排版技術規(guī)則。

1 開關電源排版技術規(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)電感量應該盡量減小。多個電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性。

當一個電容器工作頻率在fo以下時，電容阻抗Zc隨頻率的上升而減小;當電容器工作頻率在fo以上時，電容阻抗Zc會變得像電感阻抗一樣隨頻率的上升而增加;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(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(lián)起來使用.圖1(a)是多個不同特性的電容器并聯(lián)后改善的阻抗效果。通過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，電容器引腳的引線長度應盡量減短：而VIN 正極至及RL 和VIN負極至RL的走線應盡量靠近。



圖1(a) 多個電容器并聯(lián)可改善阻抗特性 圖1(b) 濾波電路走線方式A差，B好

電感的寄生并聯(lián)電容量應該盡量減小,電感引腳之間的距離越遠越好。

圖2(a)中的電流環(huán)路類似于只有一圈線圈繞組的電感。可以看到高頻率交流電流所產生的電磁場B(t)會環(huán)繞在此環(huán)路的外部和內部。如果高頻交流電流環(huán)路面積(Ac)很大，就會在此環(huán)路的內外部產生很大的電磁干擾。



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;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;當電感工作頻率接近fo時，電感阻抗就等于它的等效并聯(lián)電阻(REPR)。

在開關電源的應用中電感的等效并聯(lián)電容(CP)應該控制得越小越好。同時必須注意同一電感量的電感會由于線圈結構不同而產生不同的等效并聯(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構下不同的等效并聯(lián)電容值。

圖2(b) 中第一種電感的五圈繞組是按順序繞制。這種線圈結構所產生的等效并聯(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?這種線圈結構所產生的等效并聯(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)電容值居然相差達十倍。在高頻濾波上如果一個電感的等效并聯(lián)電容值太大，高頻噪音就會很容易地通過它的并聯(lián)電容而直接流到負載上。這樣的電感也就失去了它的高頻濾波功能。



圖2(b) 不同線圈結構造成不同等效并聯(lián)電容值

圖2(c)顯示了在一個上輸入電源(VIN)通過電感(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上的走線應盡量靠近。



圖2(c) 濾波電路走線方式 A差 B好

避免在地層上放置任何功率或信號走線。

圖3(a)中的A圖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3(a)中的B圖顯示當高頻交流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。假設圖3(b)中的地層面是開關電源上的接地層(Ground Plane)，設計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交流環(huán)路，該電路會產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

2 高頻交流環(huán)路的面積應該盡量減小

為了減小高頻交流環(huán)路所產生的電磁波噪音，該環(huán)路的面積應該控制得非常小。

如圖4所示，如果高頻交流電流環(huán)路面積Ac很大，就會在環(huán)路的內部和外部產生很大的電磁干擾。如果同樣的高頻交流電流，當環(huán)路面積設計得非常小時，環(huán)路內部和外部電磁場互相抵消，整個電路會變得非常安靜。



圖4 高頻交流環(huán)路

3 過孔放置不應破壞高頻交流電流在地層上路徑

許多設計人員喜歡在多層上放置很多過孔(VIAS)。但是必須避免在高頻交流電流返回路徑上放置過多過孔。否則，地層上高頻交流電流走線會遭到破壞。如果必須在高頻交流電流路徑上放置一些過孔的話，過孔之間可以留出一些空間讓高頻交流電流順利通過。圖5(a)顯示了過孔放置方式。

設計者同時應注意不同焊盤的形狀會產生不同的串聯(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。但如果一個高品質瓷片電容在上放置的方式不對，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誤的放置方式。



圖5(a) 過孔放置方式圖 5(b) 焊盤寄生串聯(lián)電感圖 5(c) 旁路電容正確和錯誤的放置方式

4 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到電源自身或周邊電子器件所產生的電磁波干擾，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單點與電源接地層相連接新一代電子產品系統(tǒng)板上會同時有模擬電路、數字電路及開關電源電路。為了減小開關電源噪音對敏感的模擬和數手電路的影響，通常需要分隔不同電路的接地層。如果選用多層,不同電路的接地層可由不同板層來分隔。如果整個產品只有一層接地層，則必須像圖7中那樣在單層中分隔。無論是在多層上進行地層分隔或是在單層上進行地層分隔，不同電路的地層都應該通過單點與開關中源的接地相連接。



圖7 電路接地層與電源接地層的單店連接

5 開關電源排版技術規(guī)則應用舉例

回到圖8(a)的開關電源原理圖;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?？刂齐娐分饕≒WM控制芯片，旁路電容，自舉電路，反饋分壓電阻，反饋補償電路。




圖8(a) 電源控制電路(細線)和功率電路(粗線)

6 電源功率電路排版

電源功率器件在上正確的放置和走線將決定整個電源工作是否正常。圖8(b)更進一步顯示一個降壓式開關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)，上端場效應管(Q1)和下端場效應管(Q2)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-Q1-Q2所形成的環(huán)路面積要盡量減小。同時由下端場效應管(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) 開關電源功率電路上的電流和電壓

如果未按照上述排版技術規(guī)則的要點來制作功率電路,很可能制作出有許多錯誤的電源。

圖8(c)是一個比較好的電源功率電路走線。



圖8(c) 正確的開關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。上端場效應管(Q)的源極，下端場效應管(Q2)的漏極和輸出電感(L)之間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。但必須注意在地層上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。

7 電源控制電路排版

電源控制電路排版技術規(guī)則應是控制芯片至上端和下端場效應管的驅動電路環(huán)路要盡量短。

電源控制電路排版也是非常重要。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(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。芯片驅動至場效應管的環(huán)路也要盡量減短。

8 結語

上述開關電源排版的排版技術規(guī)則要點應在實踐中逐步掌握與應用,使所設計的便攜式開關電源的高質量符合便攜式電子糸統(tǒng)的指標。