PDF《图1是电容器基本结构和高频等效模型。》

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 AC/DC 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,设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 开关电源 PCB 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. 图1电容器结构和寄生等效串联电阻和电感 电容的基本公式是 C=εrε0 (1) 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). 图2电容阻抗(ZC)曲线 一个电容器的谐振频率(f0)可以从它自身电容量(C)和等效串联电感量(LESL)得到,即f0= (2) 当一个电容器工作频率在f0以下时,其阻抗随频率的上升而减小,即ZC= (3) 当电容器工作频率在f0以上时,其阻抗会随频率的上升而增加,即ZC=j2πfLESL(4) 当电容器工作频率接近f0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. 图3多个电容器并联可改善阻抗特性 电源排版基本要点

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RL的走线应尽量靠近. (a)效果差的走线方式 (b)效果好的走线方式 图4滤波电路 PCB 走线方式 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B(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. 图5电感结构和寄生等效并联电容和电阻 电感的基本公式是 L= (5) 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). 图6电感阻抗(ZL)曲线 谐振频率(f0)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f0= (6) 当一个电感工作频率在f0以下时,电感阻抗随频率的上升而增加,即ZL=j2πfL(7) 当电感工作频率在f0以上时,电感阻抗随频率的上升而减小,即ZL= (8) 当电感工作频率接近f0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