1 開關(guān)電源PCB排版基本要點(diǎn)

　　l.1 電容高頻濾波特性

圖1是電容器基本結(jié)構(gòu)和高頻等效模型。

　　電容的基本公式是

　　式(1)顯示，減小電容器極板之間的距離(d)和增加極板的截面積(A)將增加電容器的電容量。

電容通常存在等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)二個(gè)寄生參數(shù)。圖2是電容器在不同工作頻率下的阻抗(Zc)。

　　一個(gè)電容器的諧振頻率(fo)可以從它自身電容量(C)和等效串聯(lián)電感量(LESL)得到，即

　　當(dāng)一個(gè)電容器工作頻率在fo以下時(shí)，其阻抗隨頻率的上升而減小，即

　　當(dāng)電容器工作頻率在fo以上時(shí)，其阻抗會(huì)隨頻率的上升而增加，即

　　當(dāng)電容器工作頻率接近fo時(shí)，電容阻抗就等于它的等效串聯(lián)電阻(RESR)。

電解電容器一般都有很大的電容量和很大的等效串聯(lián)電感。由于它的諧振頻率很低，所以只能使用在低頻濾波上。鉭電容器一般都有較大電容量和較小等效串聯(lián)電感，因而它的諧振頻率會(huì)高于電解電容器，并能使用在中高頻濾波上。瓷片電容器電容量和等效串聯(lián)電感一般都很小，因而它的諧振頻率遠(yuǎn)高于電解電容器和鉭電容器，所以能使用在高頻濾波和旁路電路上。由于小電容量瓷片電容器的諧振頻率會(huì)比大電容量瓷片電容器的諧振頻率要高，因此，在選擇旁路電容時(shí)不能光選用電容值過高的瓷片電容器。為了改善電容的高頻特性，多個(gè)不同特性的電容器可以并聯(lián)起來(lái)使用。圖3是多個(gè)不同特性的電容器并聯(lián)后阻抗改善的效果。

　　電源排版基本要點(diǎn)1 旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯(lián)電感應(yīng)盡量小，多個(gè)電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性。

圖4顯示了在一個(gè)PCB上輸入電源(Vin)至負(fù)載(RL)的不同走線方式。為了降低濾波電容器(C)的ESL，其引線長(zhǎng)度應(yīng)盡量減短;而Vin。正極至RL和Vin負(fù)極至R1的走線應(yīng)盡量靠近。

　　1.2 電感高頻濾波特性

圖5中的電流環(huán)路類似于一匝線圈的電感。高頻交流電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)R(t)將環(huán)繞在此環(huán)路的外部和內(nèi)部。如果高頻電流環(huán)路面積(Ac)很大，就會(huì)在此環(huán)路的內(nèi)外部產(chǎn)生很大的電磁干擾。

　　電感的基本公式是

　　從式(5)可知，減小環(huán)路的面積(Ac)和增加環(huán)路周長(zhǎng)(lm)可減小L。

電感通常存在等效并聯(lián)電阻(EPR)和等效并聯(lián)電容(Cp)二個(gè)寄生參數(shù)。圖6是電感在不同工作頻率下的阻抗(ZL)。

　　諧振頻率(fo)可以從電感自身電感值(L)和它的等效并聯(lián)電容值(Cp)得到，即

　　當(dāng)一個(gè)電感工作頻率在fo以下時(shí)，電感阻抗隨頻率的上升而增加，即

　　當(dāng)電感工作頻率在fo以上時(shí)，電感阻抗隨頻率的上升而減小，即

　　當(dāng)電感工作頻率接近fo時(shí)，電感阻抗就等于它的等效并聯(lián)電阻(REPR)。

在開關(guān)電源中電感的Cp應(yīng)該控制得越小越好。同時(shí)必須注意到，同一電感量的電感會(huì)由于線圈結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生不同的Cp值。圖7就顯示了同一電感量的電感在二種不同的線圈結(jié)構(gòu)下不同的Cp值。圖7(a)電感的5匝繞組是按順序繞制。這種線圈結(jié)構(gòu)的Cp值是l匝線圈等效并聯(lián)電容值(C)的1/5。圖7(b)電感的5匝繞組是按交叉順序繞制。其中繞組4和5放置在繞組1、2、3之間，而繞組l和5非常靠近。這種線圈結(jié)構(gòu)所產(chǎn)牛的Cp是1匝線圈C值的兩倍。

　　可以看到，相同電感量的兩種電感的Cp值居然相差達(dá)數(shù)倍。在高頻濾波上如果一個(gè)電感的Cp值太大，高頻噪音就會(huì)很容易地通過Cp直接耦合到負(fù)載上。這樣的電感也就失去了它的高頻濾波功能。

圖8顯示了在一個(gè)PCB上Vin通過L至負(fù)載(RL)的不同走線方式。為了降低電感的Cp，電感的二個(gè)引腳應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。而Vin正極至RL和Vin負(fù)極至RL的走線應(yīng)盡量靠近。

　　電源排版基本要點(diǎn)2 電感的寄生并聯(lián)電容應(yīng)盡量小，電感引腳焊盤之間的距離越遠(yuǎn)越好。

　　1.3 鏡像面

電磁理論中的鏡像面概念對(duì)設(shè)計(jì)者掌握開關(guān)電源的PCB排版會(huì)有很大的幫助。圖9是鏡像面的基本概念。

　　圖9(a)是當(dāng)直流電流在一個(gè)接地層上方流過時(shí)的情景。此時(shí)在地層上的返回直流電流非常均勻地分布在整個(gè)地層面上。圖9(h)顯示當(dāng)高頻電流在同一個(gè)地層上方流過時(shí)的情景。此時(shí)在地層上的返回交流電流只能流在地層面的中間而地層面的兩邊則完全沒有電流。 一日.理解了鏡像面概念，我們很容易看到在圖10中地層面上走線的問題。接地層(Ground Plane)，沒汁人員應(yīng)該盡量避免在地層上放置任何功率或信號(hào)走線。一旦地層上的走線破壞了整個(gè)高頻環(huán)路，該電路會(huì)產(chǎn)牛很強(qiáng)的電磁波輻射而破壞周邊電子器件的正常工作。

電源排版基本要點(diǎn)3 避免在地層上放置任何功率或信號(hào)走線。

　　1.4 高頻環(huán)路

開關(guān)電源中有許多由功率器件所組成的高頻環(huán)路，如果對(duì)這△環(huán)路處嬋得不好的話，就會(huì)對(duì)電源的正常工作造成很大影響。為了減小高頻環(huán)路所產(chǎn)生的電磁波噪音，該環(huán)路的面積應(yīng)該控制得非常小。如圖l1(a)所示，高頻電流環(huán)路面積很大，就會(huì)在環(huán)路的內(nèi)部和外部產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁于擾。同樣的高頻電流，當(dāng)環(huán)路面積設(shè)計(jì)得非常小時(shí)，如圖11(b)所示，環(huán)路內(nèi)部和外部電磁場(chǎng)互相抵消，整個(gè)電路會(huì)變得非常安靜。

電源排版基本要點(diǎn)4 高頻環(huán)路的面積應(yīng)盡可能減小。