为了适应电子产品飞快的更新换代节奏，产品设计工程师更方向于选择在市场上很随意马虎采购到的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滋扰会影响到其电子产品的正常事情，精确的电源PCB排版就变得非常主要。开关电源PCB排版与数字电路PCB排版完备不一样。
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。用自动排版办法排出的开关电源肯定无法正常事情。以是，没计职员须要对开关电源PCB排版基本规则和开关电源事情事理有一定的理解。
一
成熟的室外定位技能
开关电源PCB排版基本要点
1.1 电容高频滤波特性
图1是电容器基本构造和高频等效模型。
电容的基本公式是：
式(1)显示，减小电容器极板之间的间隔(d)和增加极板的截面积(A)将增加电容器的电容量。
电容常日存在等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)二个寄生参数。图2是电容器在不同事情频率下的阻抗(Zc)。
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，即：
当一个电容器事情频率在fo以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即：
当电容器事情频率在fo以上时，其阻抗会随频率的上升而增加，即：
当电容器事情频率靠近fo时，电容阻抗就即是它的等效串联电阻(RESR)。
电解电容器一样平常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，以是只能利用在低频滤波上。
钽电容器一样平常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，并能利用在中高频滤波上。瓷片电容器电容量和等效串联电感一样平常都很小，因而它的谐振频率远高于电解电容器和钽电容器，以是能利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频年夜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。为了改进电容的高频特性，多个不同特性的电容器可以并联起来利用。
图3是多个不同特性的电容器并联后阻抗改进的效果。
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只管即便小，多个电容器并联能改进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)的不同走线办法。为了降落滤波电容器(C)的ESL，其引线长度应只管即便减短；而Vin。正极至RL和Vin负极至R1的走线应只管即便靠近。
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。高频互换电流所产生的电磁场R(t)将环抱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滋扰。
电感的基本公式是：
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。
电感常日存在等效并联电阻(EPR)和等效并联电容(Cp)二个寄生参数。
图6是电感在不同事情频率下的阻抗(ZL)。
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，即：
当一个电感事情频率在fo以下时，电感阻抗随频率的上升而增加，即：
当电感事情频率在fo以上时，电感阻抗随频率的上升而减小，即：
当电感事情频率靠近fo时，电感阻抗就即是它的等效并联电阻(REPR)。
在开关电源中电感的Cp该当掌握得越小越好。同时必须把稳到，同一电感量的电感会由于线圈构造不同而产生不同的Cp值。
图7就显示了同一电感量的电感在二种不同的线圈构造下不同的Cp值。
图7(a)电感的5匝绕组是按顺序绕制。这种线圈构造的Cp值是l匝线圈等效并联电容值(C)的1／5。
图7(b)电感的5匝绕组是按交叉顺序绕制。个中绕组4和5放置在绕组1、2、3之间，而绕组l和5非常靠近。这种线圈构造所产牛的Cp是1匝线圈C值的两倍。
可以看到，相同电感量的两种电感的Cp值居然相差达数倍。在高频滤波上如果一个电感的Cp值太大，高频噪音就会很随意马虎地通过Cp直接耦合到负载上。这样的电感也就失落去了它的高频滤波功能。
图8显示了在一个PCB上Vin通过L至负载(RL)的不同走线办法。为了降落电感的Cp,电感的二个引脚应只管即便阔别。而Vin正极至RL和Vin负极至RL的走线应只管即便靠近。
电源排版基本要点2：电感的寄生并联电容应只管即便小，电感引脚焊盘之间的间隔越远越好。
1.3 镜像面
电磁理论中的镜像面观点对设计者节制开关电源的PCB排版会有很大的帮助。图9是镜像面的基本观点。
图9(a)是当直流电流在一个接地层上方流过期的情景。此时在地层上的返回直流电流非常均匀地分布在全体地层面上。
图9(b)显示当高频电流在同一个地层上方流过期的情景。此时在地层上的返回互换电流只能流在地层面的中间而地层面的两边则完备没有电流。
理解了镜像面观点，我们很随意马虎看到在图10中地层面上走线的问题。接地层(Ground Plane)，没汁职员该当只管即便避免在地层上放置任何功率或旗子暗记走线。一旦地层上的走线毁坏了全体高频环路，该电路会产牛很强的电磁波辐射而毁坏周边电子器件的正常事情。
电源排版基本要点3：避免在地层上放置任何功率或旗子暗记走线。担保地层的完全性。
1.4 高频环路
开关电源中有许多由功率器件所组成的高频环路，如果对这△环路处婵得不好的话，就会对电源的正常事情造成很大影响。为了减小高频环路所产生的电磁波噪音，该环路的面积该当掌握得非常小。
如图11(a)所示，高频电流环路面积很大，就会在环路的内部和外部产生很强的电磁于扰。
同样的高频电流，当环路面积设计得非常小时，如图11(b)所示，环路内部和外部电磁场相互抵消，全体电路会变得非常安静。
电源排版基本要点4：高频环路的面积应尽可能减小。
1.5 过孔和焊盘放置
许多设计职员喜好在多层PCB卜放置很多过孔(VIAS)。但是，必须避免在高频电流返同路径上放置过多过。否则，地层上高频电流走线会遭到毁坏。
如果必须在高频电流路径上放置一些过孔的活，过孔之间可以留出一空间让高频电流顺利通过，图12显示了过孔放置办法。
电源排版基本要点5：过孔放置不应毁坏高频电流在地层上的流经。
设计者同时应把稳不同焊盘的形状会产生不同的串联电感。图13显示了儿种焊盘形状的串联电感值。
旁路电容(Decouple)的放置也要考虑到它的串联电感值。旁路电容必须是低阻抗和低ESL乩的瓷片电容。但如果一个高品质瓷片电容在PCB上放置的办法不对，它的高频滤波功能也就消逝了。
图14显示了旁路电容精确和缺点的放置办法。
1.6 电源直流输出
许多开关电源的负载阔别电源的输出端口。为了避免输出走线受电源自身或周边电子器件所产生的电磁下扰，输出电源走线必须像图l5(b)那样靠得很近，使输出电流环路的面积尽可能减小。
l.7 地层在系统板上的分隔
新一代电子产品系统板上会同时有仿照电路、数字电路、开关电源电路。为了减小开关电源噪音对敏感的仿照和数字电路的影响，常日须要分隔不同电路的接地层。如果选用多层PCB，不同电路的接地层可由不同PCB板层来分隔。如果全体产品只有一层接地层，则必须像图16中那样在单层等分隔。
无论是在多层PCB上进行地层分隔还是在单层PCB 上进行地层分隔，不同电路的地层都该当通过单点与开关电源的接地层相连接。
电源排版基本要点6：系统板上不同电路须要不同接地层，不同电路的接地层通过单点与电源接地层相连接。
二
开关电源PCB排版例子
设汁职员应能在此线路图上区分出功率电路中元器件和掌握旗子暗记电路中元器件。如果设计者将该电源中所有的元器件当作数字电路中的元器件来处理，则问题会相称严重。常日首先须要知道电源高频电流的路径，并区分小旗子暗记掌握电路和功率电路元器件及其走线。
一样平常来讲，电源的功率电路紧张包括输入滤波电容、输出滤波电容、滤波电感、高下端功率场效应管。掌握电路紧张包括PWM掌握芯片、旁路电容、自举电路、反馈分压电阻、反馈补偿电路。
2.1电源功率电路PCB排版
电源功率器件在PCB上精确的放置和走线将决定全体电源事情是否正常。设计职员首先要对开关电源功率器件上的电压和电流的波形有一一定的理解。
图18显示一个降压式开关电源功率电路元器件上的电流和电压波形。由于从输入滤波电容(Cin)，上端场效应管(S1)和F端场效应管(S2)中所流过的电流是带有高频率和高峰值的互换电流，以是由Cin-S1-S2所形成的环路面积要只管即便减小。
同时由S2，L和输出滤波电容(Cout)所组成的环路面积也要只管即便减小。
如果未按本文所述的要点来制作功率电路PCB，很可能制作出网19所示的电源PCB，图19的PCB排版存在许多缺点：
第一，由于Cin有很大的ESL，Cin的高频滤波能力基本上消逝；
第二，Cin-S1-S2和S1-LCout环路的面积太大，所产生的电磁噪音会对电源本身和周边电路造成很大于扰；
第三，L的焊盘靠得太近，造成Cp太大而降落了它的高频滤波功能；
第四，Cout焊盘引线太长，造成FSL太大而失落去了高频滤波线。
Cin-S1-S2和S2-L-Cout环路的面积已掌握到最小。S1的源极，S2的漏极和L之问的连接点是一整块铜片焊盘。由于该连接点上的电压是高频，S1、S2和L须要靠得非常近。
虽然L和Cout之间的走线上没有高峰值的高频电流，但比较宽的走线可以降落直流阻抗的损耗使电源的效率得到提高。如果本钱上许可，电源可用一壁完备是接地层的双面PCB，但必须把稳在地层卜只管即便避免走功率和旗子暗记线。在电源的输入和输出端口还各增加了一个瓷片电容器来改进电源的高频滤波性能。
2.2 电源掌握电路PCB排版
电源掌握电路PCB排版也是非常主要的。不合理的排版会造成电源输出电压的漂移和振荡。掌握线路应放置在功率电路的边上，绝对不能放在高频互换环路的中间。
旁路电容要只管即便靠近芯片的Vcc和接地脚(GND)。反馈分压电阻最好也放置在芯片附近。芯片驱动至场效应管的环路也要只管即便减短。
电源排版基本要点7:掌握芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要只管即便短。
2.3 开关电源PCB排版例1
图21是图17 PCB的元器件面走线图。此电源中采取了一个低价PWM掌握器(Semtech型号SCIIO4A)。PCB下层是一个完全的接地层。此PCB功率地层与掌握地层之间没有分隔。
可以看到该电源的功率电路由输入插座(PCB左上端)通过输入滤波电容器(C1，C2，)，S1，S2，L1，输出滤波电容器(C10,C11,C12,C13)，一贯到输出插座(PCB右下端)。SCll04A被放置在PCB的左下端。
由于，在地层上功率电路电流不通过掌握电路，以是，无必要将掌握电路接地层与功率电路接地层进行分隔。如果输入插座是放置在PCB的左下端，那么在地层上功率电路电流会直接通过掌握电路，这时就有必要将二者分隔。
2.4 开关电源PCB排版例2
图22是另一种降压式开关电源，该电源能使12V输入电压转换成3．3V输出电压，输出电流可达3A。此电源上利用了一个集成电源掌握器(Semtech型号SC4519)。
这种掌握器将一个功率管集成在电源掌握器芯片中。这样的电源非常大略，尤其适宜运用在便携式DVD机，ADSL，机顶盒等消费类电子产品。同前面例子一样，对付这种大略开关电源，在PCB排版时也应把稳以下几点：
1) 由输入滤波电容(C3)，SC4519的接地脚(GND)，和D2所围成的环路面积一定要小。这意味着C3及D2必须非常靠近SC4519。
2) 可采取分隔的功率电路接地层和掌握电路接地层。连接到功率地层的元器件包括输入插座(VIN)，输出插座(VOUT)，输入滤波电容(C3)，输出滤波电容(C2)，D2，SC4519。连接到掌握地层的元器件包括输出分压电阻(R1，R2)，反馈补偿电路(R3，C4，C3，)，使能插座(EN)，同步插座(SYNC)。
3) 在SC4519接地脚的附近加个过孔将功率电路接地层与掌握旗子暗记电路接地层单点式的相连接。
图23是该电源PCB上层排版图。为了力便读者理解，功率接地层和掌握旗子暗记接地层分别用不同颜色来表示。
在这里输入插座被放置在PCB的上方，而输出插座被放置在PCB的下方．滤波电感(L1)被放在PCB左边并靠近功率接地层，而对付噪音较敏感的反馈补偿电路(R3，C4，C5)则被放存PCB右边并靠近掌握旗子暗记接地层，D2非常靠近SC4519的脚3及脚4。
图24是该电源PCB下层排版图。输入滤波电容(C3)被放置在PCB下层并非常靠近SC4519和功率接地层。
2.5开关电源PCB排版例3
末了谈论一种多路输出开关电源PCB排版要点。此电源有3组输入电压(12V，5V和3.3V)，4组输出电压(3.3v，2.6V，1.8V，1.2V)。
该电源利用了，一集成多路开关掌握器(Serotech型号SC2453)。SC2453供应了4.5V～30V的宽输入电压范围，两个高达700kHz开关频率和高达15A输出电流，以及低至0.5V输出电压的同步降压转换器。
它还供应了一个专用可调配正压线性调节器和一个专用可调配负压线性调节器。TSSOP-28封装减小了所需线路板面积。
两个异相降压转换器可以减小输入电流纹波。图25是这种多路开关电源的事理图。个中3.3V输出由5V输人产生，l.2V输出由12V输入产生，2.6V和1.8V输出由3.3V输入产生。由于该电源上所有元器件都必须被放置在一个面积较小的PCB上，为此必须将电源的功率地层和掌握旗子暗记地层分别隔来。
参照前面几节中谈论过的要点，首先将图25中连接到功率地层的元器件和连接到掌握旗子暗记地层的元器件区分开来，然后将掌握旗子暗记元器件放在旗子暗记地层上并靠近SC2453掌握旗子暗记地层与功率地层通过单点相连接。这连接点常日会选择在掌握芯片的接地脚(SC2453中的脚21)。图26详细描述了该电源排版办法。
八、电源排版基本要点8：开关电源功率电路和掌握旗子暗记电路下的元器件须要连接不同的接地层，这二个地层一样平常都是通过单点相连接。
三
结语
开关电源PCB排版的8个要点：
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只管即便小，多个电容并联能改进电容的阻抗特性；
2、电感的寄生并联电容应只管即便小，电感引脚焊盘之间的间隔越远越好；
3、避免在地层上放置任何功率或旗子暗记走线；
4、高频环路的面积应尽可能减小；
5、过孔放置不应毁坏高频电流在地层上的路径；
6、系统板上一小同电路须要不同接地层，小同电路的接地层通过单点与电源接地层相连接；
7、掌握芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要只管即便短；
8、开关电源功率电路和掌握旗子暗记电路元器件须要连接到小同的接地层，这二个地层一样平常都是通过单点相连接。
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