PDF《开关电源 PCB 排版基本要点》

3 图5滤波电容 PCB 走线方式 (a) 差(b) 好2.2 电感高频滤波特性 图6中的电流回路类似于只有一圈线圈绕组 电感.可以看到高频率交流电流所产生的电 磁场 B(t) 会周旋在回路的外面和内部.如果 高频交流电流回路面积很大,就会在回路的 内部和外部产生很大的电磁干扰. 图6电感结构和它的寄生等效电容和电阻 电感的基本公式是: m C

0 l A L ? = 此公式显示:减小回路的面积 (AC) 和增加回路 的周长 (lm) 可减小电感值 (L). 电感通常存在有二个寄生参数:等效串联电阻 (ESR) 和等效并联电容 (CP).图7是电感在不 同工作频率下的阻抗 (ZL). 图7电感阻抗 (ZL) 曲线 共振频率 (f0) 可以从电感自身电感值 (L) 和它 的等效并联电容 (CP) 得到: P

0 LC

2 1 f π = 当电感工作在 f0 以下, 电感阻抗随频率的上升 而上升: fL

2 j ZL π = 当电感工作在 f0 以上, 电感阻抗随频率的上升 而下降: fC

2 j

1 ZL π ? = 当电感工作在 f0 时, 电感阻抗就等于它的等效 串联电阻 (ESR). 在开关电源的高频应用中电感的等效并联电容 (CP) 应该控制得越小越好.我们同时必须注意 同一电感量的电感会由于线圈结构不同而产生 不同的等效并联电容值 (CP) .图8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 的等效并联电容值.

4 图8线圈结构造成不同等效并联电容值 图8中第一种电感的五圈绕组是按顺序绕 制.这种线圈结构所产生的等效并联电容值 (CP) 是单组线圈等效并联电容值 (C) 的五分 之一.图8中第二种电感的五圈绕组是按交 叉顺序绕制.其中绕组 #4 和#5 放置在绕组 #1 #2 #3 之间而绕组 #1 和#5 非常靠近.这 种线圈结构所产生的等效并联电容值 (CP) 是 单组线圈等效并联电容值 (C) 的二倍.可以 看到同电感量的二种电感的等效并联电容值 居然相差达十倍.在高频滤波上如果一个电 感的等效并联电容值太大,高频噪音就会很 容易地通过它的并联电容而直接流到负载 上.这样的电感也就失去了它的高频滤波功 能. 图9显示了在一个 PCB 上输入电源 (VIN) 至 负载 (RL) 的不同走线方式.为了降低电感的 CP, 电感的二个引脚应尽量远离.而VIN 正极至RL 和VIN 负极至 RL 的走线应尽量靠 近. 图9滤波电容 PCB 走线方式 (a) 差(b) 好2.3 镜像面 电磁理论中的镜像面概念会对设计者掌握开关 电源的 PCB 排版观念会有很大的帮助.图10 是镜像面的基本概念. 图10 镜像面概念 (a) 直流 (b) 交流 图10 (a) 显示当直流电流在一个接地层上方流 过时的情景.此时在地层上的返回直流电流非 常均匀地分布在整个地层面上.图10 (b) 显示 当高频交流电流在同一个地层上方流过时的情 景.此时在地层上的返回交流电流只能流在地 层面的中间而地层面的二边完全没有电流流 过.如果理解了镜像面概念,我们很容易看到 在图

11 中地层面上走线的问题. 电源排版基本要点 #2:电感的寄生串联 电容量应该尽量减小.电感引脚之间的 距离越远越好.

5 图11 地层面上的走线造成接地层的破坏 假设图

11 中的地层面是开关电源 PCB 上的 接地层 (Ground Plane),设计人员应该尽量 避免在地层上放置功率或信号走线.一旦地 层上的走线破坏了整个高频交流回路,该电 路会产生很大的电磁波辐射而破坏周边电子 器件的正常工作. 2.4 高频交流回路 开关电源中有许多由功率器件所组成的高频 交流回路,如果对这些回路处理得不好话就 会对电源的正常工作造成很大影响.为了减 小高频交流回路所产生的电磁波噪音,该回 路的面积应该控制得非常小.如图