PDF《开关电源 PCB 排版基本要点》

1 开关电源 PCB 排版基本要点 周琛 (瑞士商升特股份有限公司上海代表处, 上海 200021) 摘要: 开关电源 PCB 排版是开发电源产品中的一个重要过程.

许多情况下,一个纸上设计非常完 美的电源可能在初次调试时无法正常工作原因是该电源的 PCB 排版存在着许多问题.这篇文章中 会详细讨论开关电源 PCB 排版的基本要点并会描述一些实用的 PCB 排板例子. 关键词:PCB 排版,开关电源 Basic PCB Layout Guidelines for On Board Power Supply Development Chen Zhou Semtech International AG, Shanghai Abstract: PCB layout of on board power supply is one of the most critical tasks of a product designer. In many cases, a well designed power supply on paper may turn out to be unworkable due to poor PCB layout. In this paper, basic guidelines of power supply PCB layout are presented. Several practical power supply layout examples are explained in detail. Keywords: PCB layout, power supply 1. 引言 为了赶上电子产品业界飞快的产品更换节 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 关电源会产生电磁波而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.图1是一个在电子消费类产品上应 用的降压式开关电源原理图.设计人员需要 在此线路图上区分功率电路部分元器件和控 制信号部分元器件.如果设计者将这电源中 所有的元器件当作数字电路中的元器件一样 来处理,那问题就大了.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 产生所的开关电源肯定无法正常工作.设计 人员需要对正确的开关电源 PCB 排版基本 原理和开关电源工作原理要有一定的了解. VIN R7 2.2R C13 1800uF/6.3V R8 5.1R R10 2.2R C12 1800uF/6.3V C15 4.7uF/16V C8 4.7uF C11 1800uF/6.3V Q2 IPD09N03 C9 1uF R9 2.2R R3 1.5K C10 4.7uF R6 1.5K R5 1K C1 1800uF/16V Q1 IPD09N03 R1 0R D2 D1N4148 C3 1uF C4 47nF C2 1800uF/16V R4 1k L1 2uH C5 1nF U1 SC1104

1 3

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7 8 COMP/SS DL GND DH BST PHASE VCC SENSE C6 1nF C14 1n VOUT D1 D1N4148 图1一个典型降压式开关电源原理图 (12V 输入, 3.3V, 15A 输出) 2. 开关电源 PCB 排版基本要点 2.1 电容高频滤波特性 图2是电容基本结构和高频模型:

2 图2电容结构和寄生等效串联电阻和电感 电容的基本公式是: d A C

0 rε ε = 此公式显示:减小电容引脚之间的距离 (d) 和增加截面积 (A) 会增加电容自身的电容 量. 电容通常存在有二个寄生参数:等效串联电 阻(ESR) 和等效串联电感 (L).图3是电容 在不同工作频率下的阻抗 (ZC). 图3电容阻抗 (ZC) 曲线 电容的共振频率 (f0) 可以从电容的自身容量 (C) 和等效串联电感量 (L) 得到: LC

2 1 f0 π = 当电容工作在 f0 以下, 电容阻抗随频率的上 升而下降: fC

2 j

1 ZC π ? = 当电容工作在 f0 以上, 电容阻抗会像电感阻抗 一样随频率的上升而上升: fL

2 j ZC π = 当电容工作在 f0 时, 电容阻抗就等于它的等效 串联电阻 (ESR). 电解电容一般都有很大电容量和很大等效串联 电感.由于它的共振频率很低,所以只能用在 低频滤波上.胆电容一般都有很大电容量和较 小等效串联电感,因而它的共振频率高于电解 电容,并能用在中高频滤波上.瓷片电容一般 都有很小电容量和很小等效串联电感,因而它 的共振频率远高于电解电容和胆电容,所以能 用在高频滤波和旁路上.同样,由于小电容量 瓷片电容共振频率会比大电容量瓷电容共振频 率高很多,因此旁路电容的电容值不能太大. 为了改善电容的高频特性,多个不同特性电容 可以并联起来用.图4是多个电容并联后改善 的阻抗效果. 图4多个电容并联改善可单个电容阻抗特性 图5显示了在一个 PCB 上输入电源 (VIN) 至负 载(RL) 的不同走线方式.为了降低滤波电容的 ESL, 电容的引线应尽量减短.而VIN 正极 至RL 和VIN 负极至 RL 的走线应尽量靠近. 电源排版基本要点 #1:旁路瓷片电容的 电容量不能太大, 而它的寄生串联电感 量应该尽量减小.多个电容并联能改善 单个电容的阻抗特性.