便携式系统开关电源PCB设计技术与应用（上）

一、正确的开关电源PCB设计技术是开发便携式设备的重要步骤

　　目前的开关电源开发，设计人员大多是在市场上选择容易采购到的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。然而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，则正确的电源PCB设计技术就变得非常重要。

　　许多情况下，一个在纸上设计得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设计存在着许多问题。例如，对一个消费类电子设备上的降压式开关电源原理图来说，设计人员应能够在此线路图上区分功率电路中元器件和控制信号电路中元器件。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，则问题会相当严重。开关电源PCB设计与数字电路PCB设计完全不一样。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。用自动排版方式所排版出的开关电源肯定无法正常工作。所以，设计人员需要掌握和了解正确的开关电源PCB设计技术规则，当然亦需对开关电源各级技术状态有较清楚的认识。

二、开关电源PCB设计技术规则

2.1 旁路瓷片电容器的电容量不能太大，而它的寄生串联电感量应该尽量减小。多个电容器并联能改善电容的高频阻抗特性。为什么是这样？这是因为电容高频滤波的特性。

　　此公式显示：减小电容器引脚之间的距离(d)和增加截面积(A)会增加电容器自身的电容量。

　　电容通常存在二个寄生参数：等效串联电阻(ESR) 和等效串联电感(ESL)。

　　一个电容器的谐振频率(fo)可以从它自身电容量(c) 和等效串联电感量(LESL)得到：

　　当一个电容器工作频率在fo以下时，电容阻抗Zc随频率的上升而减小；当电容器工作频率在fo以上时，电容阻抗Zc会变得像电感阻抗一样随频率的上升而增加；当电容器工作频率接近fo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电容量和很大等效串联电感。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1(a)是多个不同特性的电容器并联后改善的阻抗效果。通过分析就不难理解此排版规则的重要了。图1(b)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，电容器引脚的引线长度应尽量减短：而VIN 正极至及RL 和VIN负极至RL的走线应尽量靠近。

2.2 电感的寄生并联电容量应该尽量减小。电感引脚之间的距离越远越好。也是因为电感高频滤波特性。

　　图2(a)中的电流环路类似于只有一圈线圈绕组的电感。可以看到高频率交流电流所产生的电磁场B(t)会环绕在此环路的外部和内部。如果高频交流电流环路面积(Ac)很大，就会在此环路的内外部产生很大的电磁干扰。

　　此公式显示：减小环路的面积(Ac)和增加环路的周长(lm)可减小电感值(L)。

　　电感通常存在二个寄生参数：等效并联电阻(EPR) 和等效并联电容(Cp)。

　　谐振频率(fo)可以从电感自身电感值(L)和它的等效并联电容值(Cp)得到：

　　当一个电感工作频率在fo以下时，电感阻抗随频率的上升而增加；当电感工作频率在fo以上时，电感阻抗随频率的上升而减小；当电感工作频率接近fo时，电感阻抗就等于它的等效并联电阻(REPR)。

　　在开关电源的应用中电感的等效并联电容(CP)应该控制得越小越好。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2(b)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。

　　图2(b) 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2(b)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)的两倍。

　　可以看到，相同电感量的两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2(c)显示了在一个PCB上输入电源(VIN)通过电感(L)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上的走线应尽量靠近。

2.3 避免在地层上放置任何功率或信号走线。

　　电磁理论中的镜像面概念会对设计者掌握开关电源的PCB设计观念会有很大的帮助。图3(a)是镜像面的基本概念。

图3(a)中的A图是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3(a)中的B图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两边则完全没有电流。一旦理解了镜像面概念，很容易看到在图3(b)中地层面上走线的问题。假设图3(b)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任何功率或信号走线。一旦地层上的走线破坏了整个高频交流环路，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 高频交流环路的面积应该尽量减小。

　　开关电源中有许多由功率器件所组成的高频交流环路，如果对这些环路处理得不好的话，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。