一、正確的開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)技術(shù)是開發(fā)便攜式設(shè)備的重要步驟
目前的開關(guān)電源開發(fā)，設(shè)計(jì)人員大多是在市場(chǎng)上選擇容易采購(gòu)到的AC/DC適配器，并把多組直流電源直接安裝在系統(tǒng)的線路板上。然而由于開關(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設(shè)計(jì)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)無法正常工作，原因是該電源的PCB設(shè)計(jì)存在著許多問題。例如，對(duì)一個(gè)消費(fèi)類電子設(shè)備上的降壓式開關(guān)電源原理圖來說，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。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處理，則問題會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重。開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)與數(shù)字電路PCB設(shè)計(jì)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PCB軟件來自動(dòng)排列且芯片之間的連接線可以通過PCB軟件來自動(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設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)則，當(dāng)然亦需對(duì)開關(guān)電源各級(jí)技術(shù)狀態(tài)有較清楚的認(rèn)識(shí)。
二、開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)則
2.1 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。為什么是這樣？這是因?yàn)殡娙莞哳l濾波的特性。
此公式顯示：減小電容器引腳之間的距離(d)和增加截面積(A)會(huì)增加電容器自身的電容量。
電容通常存在二個(gè)寄生參數(shù)：等效串聯(lián)電阻(ESR) 和等效串聯(lián)電感(ESL)。
一個(gè)電容器的諧振頻率(fo)可以從它自身電容量(c) 和等效串聯(lián)電感量(LESL)得到：
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??；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。
2.2 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。也是因?yàn)殡姼懈哳l濾波特性。
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。
此公式顯示：減小環(huán)路的面積(Ac)和增加環(huán)路的周長(zhǎng)(lm)可減小電感值(L)。
電感通常存在二個(gè)寄生參數(shù)：等效并聯(lián)電阻(EPR) 和等效并聯(lián)電容(Cp)。
諧振頻率(fo)可以從電感自身電感值(L)和它的等效并聯(lián)電容值(Cp)得到：
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(c)顯示了在一個(gè)PCB上輸入電源(VIN)通過電感(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。
2.3 避免在地層上放置任何功率或信號(hào)走線。
電磁理論中的鏡像面概念會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)者掌握開關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)觀念會(huì)有很大的幫助。圖3(a)是鏡像面的基本概念。
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有電流。一旦理解了鏡像面概念，很容易看到在圖3(b)中地層面上走線的問題。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)生很大的電磁波輻射而破壞周邊電子器件的正常工作。
2.4 高頻交流環(huán)路的面積應(yīng)該盡量減小。
開關(guān)電源中有許多由功率器件所組成的高頻交流環(huán)路，如果對(duì)這些環(huán)路處理得不好的話，就會(huì)對(duì)電源的正常工作造成很大影響。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。
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