开关电源PCB排版基本要点概述

开关电源PCB排版是开发电源产品的一个重要过程。在许多情况下，由于电源的原因，纸上设计完美的电源在第一次调试时可能无法正常工作PCB排版存在许多问题。详细讨论了开关电源PCB对排版的基本要点进行了描述PCB排版例子。

0 引言

为了适应电子产品快速更新的节奏，产品设计工程师更倾向于选择市场上容易购买的产品AC／DC将多组直流电源直接安装在系统的电路板上。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排版和数字电路PCB排版完全不同。通过数字电路排版，可以使用许多数字芯片PCB软件自动排列，芯片之间的连接线可以通过PCB自动连接软件。自动排版排出的开关电源不能正常工作。因此，无计人员需要开关电源PCB对开关电源的排版基本规则和工作原理有一定的了解。

1 开关电源PCB排版基本要点

l.1高频电容滤波特性

图1是电容器的基本结构和高频等效模型。

电容器的基本公式是

类型(1)显示，减少电容器极板之间的距离（d）并增加极板的截面积（A）将增加电容器的电容量。

等效串联电阻通常存在于电容中（ESR）等效串联电感（ESL）两个寄生参数。图2是电容器在不同工作频率下的阻抗（Zc）。

电容器的谐振频率（fo）它自身的电容量是可以的（C）等效串联电感量（LESL）得到，即

当一个电容器工作频率在时fo其阻抗随频率的增加而减小，即

当电容器工作频率为fo在上述情况下，其阻抗会随着频率的增加而增加，即

当电容器工作频率接近时，fo当电容阻抗等于其等效串联电阻时（RESR）。

电解电容器一般具有较大的电容量和较大的等效串联电感。低频滤波器只能使用，因为它的谐振频率很低。钽电容器一般具有较大的电容和较小的等效串联电感，因此其谐振频率高于电解电容器，可用于中高频滤波器。瓷片电容器的电容和等效串联电感一般都很小，因此其谐振频率远高于电解电容器和钽电容器，因此可用于高频滤波和旁路电路。由于小容量瓷片电容器的谐振频率高于大容量瓷片电容器，因此在选择旁路电容器时，不能仅仅选择电容值过高的瓷片电容器。多个不同特性的电容器可并联使用，以改善电容器的高频特性。图3是电容器并联后阻抗改不同特性的电容器的效果。

电源排版基本要点1 旁路瓷片电容器的电容不宜过大，其寄生串联电感应应尽可能小，多个电容器并联可提高电容器的高频阻抗性能。

图4显示在一个PCB上输入电源（Vin）至负载（RL）不同的布线方式。减少滤波电容器（C）的ESL，尽量缩短引线长度；Vin。正极至RL和Vin负极至R走线应尽可能靠近。

1．2 电感高频滤波特性

图5中的电流环类似于匝线圈的电感。高频交流电流产生的电磁场R（t）如果高频电流环路环路的外部和内部。如果高频电流环路面积大（Ac）这个环路的内外都会产生很大的电磁干扰。

电感的基本公式是

从式(5)可以看出，减少环路面积（Ac）增加环路周长（lm）可减小L。

电感通常有等效并联电阻（EPR）等效并联电容器（Cp）两个寄生参数。图6是电感在不同工作频率下的阻抗（ZL）。

谐振频率（fo）电感本身的电感值可以从电感本身开始（L）并联电容值及其等效（Cp）得到，即

当电感工作频率在时fo电感阻抗随频率的增加而增加，即

当电感工作频率为fo在上述情况下，电感阻抗随频率的增加而减小，即

当电感工作频率接近时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Cp控制越小越好。同时，必须注意的是，由于线圈结构的不同，同一电感的电感会产生不同Cp值。图7显示了两种不同线圈结构下相同电感的电感不同Cp值。图7（a）按顺序绕组电感5匝绕组。这种线圈结构Cp值是l匝线圈等效并联电容值（C）的1／5。图7（b）电感5匝绕组按交叉顺序绕组。绕组4和5放置在绕组1、2、3之间，而绕组L和5非常接近。这种线圈结构生产的牛Cp是匝线圈C值的两倍。

可以看出，两种具有相同电感的电感Cp值差数倍。如果在高频滤波器上有电感Cp如果值太大，高频噪声很容易通过Cp直接耦合到负载上。这种电感失去了其高频滤波功能。

图8显示在一个PCB上Vin从L到负载（RL）不同的布线方式。减少电感Cp，尽量远离电感的两个引脚。Vin正极至RL和Vin负极至RL尽量靠近。

电源排版基本要点2 寄生并联电容应尽可能小，引脚焊盘之间的距离越远越好。

1.3 镜像面

对于设计师来说，电磁理论中的镜像面概念掌握了开关电源PCB排版会很有帮助。图9是镜像面的基本概念。

图9（a）当直流电流流过接地层上方时。此时，地层上的返回直流电流在整个地层上均匀分布。图9（h）显示高频电流在同一地层上方流。此时，地层上的返回交流电流只能在地层中间流动，而地层两侧没有电流。 一天。理解了镜像的概念，很容易看到图10中地层的线路问题。接地层（Ground Plane），无汁人员应尽量避免在地层上放置任何功率或信号线。地板上的布线一旦破坏整个高频环路，就会产生强电磁波辐射，破坏周围电子设备的正常运行。

电源排版的基本要点3 避免在地层上放置任何功率或信号线。

1．4 高频环路

如果是这样的话，开关电源中有许多由功率器件组成的高频环路△如果环路处好，会对电源的正常工作产生很大影响。为降低高频环路产生的电磁波噪声，环路面积应控制得很小。如图l1（a）因此，高频电流环路面积大，会在环路内外产生强电磁干扰。当环路面积设计得非常小时时时时，如图11所示（b）如环路内外电磁场相互抵消，整个电路会变得非常安静。

电源排版基本要点4 尽量减少高频环路的面积。

1.5放置过孔和焊盘

许多设计师喜欢多层PCB许多过孔都放在卜中（VIAS）。然而，必须避免在同一路径上放置过多的高频电流返回。否则，地层上的高频电流线路将被破坏。如果必须在高频电流路径上放置一些过孔工作，可以在过孔之间留出空间，使高频电流顺利通过。图12显示了过孔放置方法。

电源排版基本要点5 过孔放置不应破坏地层高频电流的流通。

设计师还应注意，不同焊盘的形状会产生不同的串联电感。图13显示了几个焊盘形状的串联电感值。

旁路电容（Decouple）还应考虑其串联电感值。旁路电容必须是低阻抗和低阻抗ESL但是，如果一个高质量的瓷片电容器在那里PCB如果错误，其高频滤波功能消失。图14显示了旁路电容器的正确和错误放置。

1．6 电源直流输出

许多开关电源的负载远离电源的输出端口。为了避免电源本身或周围电子设备产生的电磁干扰，输出电源线必须如图所示l5（b）这样，输出电流环少输出电流环路的面积。

l.7 系统板上地层的分离

模拟电路、数字电路、开关电源电路同时存在于新一代电子产品系统板七会。通常需要分隔不同电路的接地层，以减少电源噪声对敏感模拟和数字电路的影响。若选择多层PCB，不同电路的接地层可以由不同的电路连接PCB分隔板层。若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。不管是多层PCB地层分隔或单层分隔PCB 上层分隔，不同电路的地层应通过单点连接到开关电源的接地层。

电源排版基本要点6 不同的电路需要不同的接地层，不同电路的接地层通过单点连接到电源接地层。

2 开关电源PCB排版例子

压力开关电源原理图。果汁设计者应能够区分电源电路中的组件和控制信号电路中的组件。如果设计师将电源中的所有组件视为数字电路中的组件器件来处理，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卜的电流和电压波形。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。

 如果设汁者未按本丈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。

2．4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3．3V输出电压，输出电流可达3A。此电源上使用了一个集成电源控制器（Semtech型号SC4519）。这种控制器将一个功率管集成在电源控制器芯片中。这样的电源非常简单，尤其适合应用在便携式DVD机，ADSL，机顶盒等消费类电子产品。

同前面例子一样，对于这种简单开关电源，在PCB排版时也应注意以下几点。

1）由输入滤波电容（C3），SC4519的接地脚（GND），和D2所围成的环路面积一定要小。这意味着C3及D2必须非常靠近SC4519。

2）可采用分隔的功率电路接地层和控制电路接地层。连接到功率地层的元器件包括输入插座（VIN），输出插座（VOUT），输入滤波电容（C3），输出滤波电容（C2），D2，SC4519。连接到控制地层的元器件包括输出分压电阻（R1，R2），反馈补偿电路（R3，C4，C3，），使能插座（EN），同步插座（SYNC）。

3）在SC4519接地脚的附近加 个过孔将功率电路接地层与控制信号电路接地层单点式的相连接。

图23是该电源PCB上层排版图。为了力便读者理解，功率接地层和控制信号接地层分别用不同颜色来表示。在这里输入插座被放置在PCB的上方，而输出插座被放置在PCB的下方．滤波电感（L1）被放在PCB左边并靠近功率接地层，而对于噪音较敏感的反馈补偿电路（R3，C4，C5）则被放存PCB右边并靠近控制信号接地层。D2非常靠近SC4519的脚3及脚4。图24是该电源PCB下层排版图。输入滤波电容（C3）被放置在PCB下层并非常靠近SC4519和功率接地层。

2.5开关电源PCB排版例3

最后讨论一种多路输出开关电源PCB排版要点。此电源有3组输入电压（12V，5V和3.3V），4组输出电压（3.3v，2.6V，1.8V，1.2V）。该电源使用了，一集成多路开关控制器（Serotech型号SC2453）。SC2453提供了4.5V～30V的宽输入电压范围，两个高达700kHz开关频率和高达15A输出电流，以及低至0.5V输出电压的同步降压转换器。它还提供了一个专用可调配正压线性调节器和一个专用可调配负压线性调节器。TSSOP-28封装减小了所需线路板面积。两个异相降压转换器可以减小输入电流纹波。图25是这种多路开关电源的原理图。其中3.3V输出由5V输人产生，l.2V输出由12V输入产生，2.6V和1.8V输出由3.3V输入产生。由于该电源上所有元器件都必须被放置在一个面积较小的PCB上，为此必须将电源的功率地层和控制信号地层分隔开来。参照前面几节中讨论过的要点，首先将图25中连接到功率地层的元器件和连接到控制信号地层的元器件区分开来，然后将控制信号元器件放在信号地层上并靠近SC2453控制信号地层与功率地层通过单点相连接。这连接点通常会选择在控制芯片的接地脚（SC2453中的脚21）。图26详细描述了该电源排版方式。

电源排版基本要点8 开关电源功率电路和控制信号电路下的元器件需要连接不同的接地层，这二个地层一般都是通过单点相连接。

3 结语

开关电源PCB排版的8个要点：

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，多个电容并联能改善电容的阻抗特性；

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；

3）避免在地层上放置任何功率或信号走线；

4）高频环路的面积应尽可能减小；

5）过孔放置小应破坏高频电流在地层上的路径；

6）系统板上一小同电路需要不同接地层，小同电路的接地层通过单点与电源接地层相连接；

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；

8）开关电源功率电路和控制信号电路元器件需要连接到小同的接地层，这二个地层一般都是通过单点相连接。