便携式系统开关电源PCB排版技术设计方案

2 高频交流环路的面积应该尽量减小

为了减小高频交流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4所示，如果高频交流电流环路面积Ac很大，就会在环路的内部和外部产生很大的电磁干扰。如果同样的高频交流电流，当环路面积设计得非常小时，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。



                                               图4 高频交流环路

3 过孔放置不应破坏高频交流电流在地层上路径

许多设计人员喜欢在多层PCB上放置很多过孔(VIAS)。但是必须避免在高频交流电流返回路径上放置过多过孔。否则，地层上高频交流电流走线会遭到破坏。如果必须在高频交流电流路径上放置一些过孔的话，过孔之间可以留出一些空间让高频交流电流顺利通过。图5(a)显示了过孔放置方式。

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5(b)显示了几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5( c )显示了旁路电容正确和错误的放置方式。



  图5(a) 过孔放置方式图 5(b) 焊盘寄生串联电感图 5(c) 旁路电容正确和错误的放置方式

4 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到电源自身或周边电子器件所产生的电磁波干扰，输出电源走线必须像图6中那样靠得很近。输出电流环路的面积也必须减小。



                                      图6 电源输出直流电流环路

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新一代电子产品系统板上会同时有模拟电路、数字电路及开关电源电路。为了减小开关电源噪音对敏感的模拟和数手电路的影响，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7中那样在单层中分隔。无论是在多层PCB上进行地层分隔或是在单层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中源的接地相连接。



                               图7 电路接地层与电源接地层的单店连接

5 开关电源PCB排版技术规则应用举例

回到图8(a)的开关电源原理图;通常首先需要知道电源高频交流电流的路径，并能够区分小信号控制电路和功率电路元器件及其走线、图8(a)将传统电源原理图(即,没有粗黑线的电路图)区分成控制电路部分和功率电路部分。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。



                                          图8(a) 电源控制电路(细线)和功率电路(粗线)

6 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。图8(b)更进一步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(Q1)和下端场效应管(Q2)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-Q1-Q2所形成的环路面积要尽量减小。同时由下端场效应管(Q2)，电感(L)，和输出滤波电容(Cout)所组成的环路面积也需要尽量减小。



                                  图8(b) 开关电源功率电路上的电流和电压

如果未按照上述PCB排版技术规则的要点来制作功率电路PCB,很可能制作出有许多错误的电源PCB。

图8(c)是一个比较好的电源功率电路PCB走线。



                                 图8(c) 正确的开关电源功率器件放置和走线

CIN-Q1-Q2和Q2-L-Cout环路的面积已控制得最小。上端场效应管(Q)的源极，下端场效应管(Q2)的漏极和输出电感(L)之间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和交流，Q1和Q2和乙需要靠得非常近。虽然输出滤波电感(L)和输出滤波电容(Cout)之间的走线上没有高峰值的高频交流电流，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。但必须注意在地层上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。