为了习惯电子产品飞快的更新换代节奏，产品规划工程师更倾向于挑选在市场上很简略收购到的AC/DC适配器，并把多组直流电源直接安装在体系的线路板上。因为开关电源发生的电磁搅扰会影响到其电子产品的正常作业，正确的电源PCB排版就变得十分重要。开关电源PCB排版与数字电路PCB排版彻底不相同。在数字电路排版中，许多数字芯片能够经过PCB软件来主动摆放，且芯片之间的衔接线能够经过PCB软件来主动衔接。用主动排版方法排出的开关电源必定无法正常作业。所以，没计人员需求对开关电源PCB排版根本规矩和开关电源作业原理有必定的了解。
1 开关电源PCB排版根本关键
l.1 电容高频滤波特性
图1是电容器根本结构和高频等效模型。
电容的根本公式是
式(1)显现，减小电容器极板之间的间隔(d)和添加极板的截面积(A)将添加电容器的电容量。
电容一般存在等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)二个寄生参数。图2是电容器在不同作业频率下的阻抗(Zc)。
一个电容器的谐振频率(fo)能够从它自身电容量(C)和等效串联电感量(LESL)得到，即
当一个电容器作业频率在fo以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即
当电容器作业频率在fo以上时，其阻抗会随频率的上升而添加，即
当电容器作业频率挨近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的电容量和很大的等效串联电感。因为它的谐振频率很低，所以只能运用在低频滤波上。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，并能运用在中高频滤波上。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，所以能运用在高频滤波和旁路电路上。因为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，因而，在挑选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能够并联起来运用。图3是多个不同特性的电容器并联后阻抗改进的作用。
电源排版根本关键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尽量小，多个电容器并联能改进电容的高频阻抗特性。
图4显现了在一个PCB上输入电源(Vin)至负载(RL)的不同走线方法。为了下降滤波电容器(C)的ESL，其引线长度应尽量减短;而Vin。正极至RL和Vin负极至R1的走线应尽量挨近。
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。高频沟通电流所发生的电磁场R(t)将盘绕在此环路的外部和内部。假如高频电流环路面积(Ac)很大，就会在此环路的内外部发生很大的电磁搅扰。
电感的根本公式是
从式(5)可知，减小环路的面积(Ac)和添加环路周长(lm)可减小L。
电感一般存在等效并联电阻(EPR)和等效并联电容(Cp)二个寄生参数。图6是电感在不同作业频率下的阻抗(ZL)。
谐振频率(fo)能够从电感自身电感值(L)和它的等效并联电容值(Cp)得到，即
当一个电感作业频率在fo以下时，电感阻抗随频率的上升而添加，即
当电感作业频率在fo以上时，电感阻抗随频率的上升而减小，即
当电感作业频率挨近fo时，电感阻抗就等于它的等效并联电阻(REPR)。
在开关电源中电感的Cp应该操控得越小越好。一起有必要留意到，同一电感量的电感会因为线圈结构不同而发生不同的Cp值。图7就显现了同一电感量的电感在二种不同的线圈结构下不同的Cp值。图7(a)电感的5匝绕组是按次序绕制。这种线圈结构的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匝绕组是按穿插次序绕制。其间绕组4和5放置在绕组1、2、3之间，而绕组l和5十分挨近。这种线圈结构所产牛的Cp是1匝线圈C值的两倍。
能够看到，相同电感量的两种电感的Cp值竟然相差达数倍。在高频滤波上假如一个电感的Cp值太大，高频噪音就会很简略地经过Cp直接耦合到负载上。这样的电感也就失去了它的高频滤波功用。
图8显现了在一个PCB上Vin经过L至负载(RL)的不同走线方法。为了下降电感的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的走线应尽量挨近。
电源排版根本关键2 电感的寄生并联电容应尽量小，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概念对规划者把握开关电源的PCB排版会有很大的协助。图9是镜像面的根本概念。
图9(a)是当直流电流在一个接地层上方流过期的情形。此刻在地层上的回来直流电流十分均匀地散布在整个地层面上。图9(h)显现当高频电流在同一个地层上方流过期的情形。此刻在地层上的回来沟通电流只能流在地层面的中心而地层面的两头则彻底没有电流。 一日.了解了镜像面概念，咱们很简略看到在图10中地层面上走线的问题。接地层(Ground Plane)，没汁人员应该尽量防止在地层上放置任何功率或信号走线。一旦地层上的走线损坏了整个高频环路，该电路会产牛很强的电磁波辐射而损坏周边电子器材的正常作业。
电源排版根本关键3 防止在地层上放置任何功率或信号走线。
1.4 高频环路
开关电源中有许多由功率器材所组成的高频环路，假如对这△环路处婵得欠好的话，就会对电源的正常作业构成很大影响。为了减小高频环路所发生的电磁波噪音，该环路的面积应该操控得十分小。如图l1(a)所示，高频电流环路面积很大，就会在环路的内部和外部发生很强的电磁于扰。相同的高频电流，当环路面积规划得十分小时，如图11(b)所示，环路内部和外部电磁场相互抵消，整个电路会变得十分安静。
电源排版根本关键4 高频环路的面积应尽或许减小。
1.5 过孔和焊盘放置
许多规划人员喜爱在多层PCB卜放置许多过孔(VIAS)。可是，有必要防止在高频电流返同途径上放置过多过。不然，地层上高频电流走线会遭到损坏。假如有必要在高频电流途径上放置一些过孔的活，过孔之间能够留出一空间让高频电流顺畅经过，图12显现了过孔放置方法。
电源排版根本关键5 过孔放置不该损坏高频电流在地层上的流经。
规划者一起应留意不同焊盘的形状会发生不同的串联电感。图13显现了几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。旁路电容有必要是低阻抗和低ESL乩的瓷片电容。但假如一个高品质瓷片电容在PCB上放置的方法不对，它的高频滤波功用也就消失了。图14显现了旁路电容正确和过错的放置方法。
1.6 电源直流输出
许多开关电源的负载远离电源的输出端口。为了防止输出走线受电源自身或周边电子器材所发生的电磁下扰，输出电源走线有必要像图l5(b)那样靠得很近，使输出电流环路的面积尽或许减小。
l.7 地层在体系板上的分隔
新一代电子产品体系板七会一起有模仿电路、数字电路、开关电源电路。为了减小丌关电源噪音对灵敏的模仿和数字电路的影响，一般需求分隔不同电路的接地层。假如选用多层PCB，不同电路的接地层可由不同PCB板层来分隔。假如整个产品只要一层接地层，则有必要像图16中那样在单层中分隔。无论是在多层PCB上进行地层分隔仍是在单层PCB 上进行地层分隔，不同电路的地层都应该经过单点与开关电源的接地层相衔接。
电源排版根本关键6 体系板七不同电路需求不同接地层，不同电路的接地层经过单点与电源接地层相衔接。
2 开关电源PCB排版比如
压式开关电源原理图。设汁人员应能在此线路图上区别出功率电路中元器材和操控信号电路中元器材。假如规划者将该电源中一切的元器材当作数字电路中的元器材来处理，则问题会相当严重。一般首要需求知道电源高频电流的途径，并区别小信号操控电路和功率电路元器材及其走线。一般来讲，电源的功率电路首要包含输入滤波电容、输出滤波电容、滤波电感、上下端功率场效应管。操控电路首要包含PWM操控芯片、旁路电容、自举电路、反应分压电阻、反应补偿电路。
2.l 电源功率电路PCB排版
电源功率器材在PCB上正确的放置和走线将决议整个电源作业是否正常。规划人员首要要对开关电源功率器材上的电压和电流的波形有一必定的了解。
图18显现一个降压式开关电源功率电路元器材卜的电流和电压波形。因为从输入滤波电容(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沟通电流，所以由Cin-S1-S2所构成的环路面积要尽量减小。一起由S2，L和输出滤波电容(Cout)所组成的环路面积也要尽量减小。
假如设汁者未按本丈所述的关键来制造功率电路PCB，很或许制造出网19所示的电源PCB，图19的PCB排版存在许多过错：榜首，因为Cin有很大的ESL，Cin的高频滤波才能根本上消失;第二，Cin-S1-S2和S1-LCout环路的面积太大，所发生的电磁噪音会对电源自身和周边电路构成很大于扰;第三，L的焊盘靠得太近，构成Cp太大而下降了它的高频滤波功用;第四，Cout焊盘引线太长，构成FSL太大而失去了高频滤波线。 Cin-S1-S2和S2-L-Cout环路的面积已操控到最小。S1的源极，S2的漏极和L之问的衔接点是一整块铜片焊盘。因为该衔接点上的电压是高频，S1、S2和L需求靠得十分近。尽管L和Cout之间的走线上没有高峰值的高频电流，但比较宽的走线能够下降直流阻抗的损耗使电源的功率得到进步。假如本钱上答应，电源可用一面彻底是接地层的双面PCB，但有必要留意在地层卜尽量防止走功率和信号线。在电源的输入和输出端口还各添加了一个瓷片电容器来改进电源的高频滤波功能。
2.2 电源操控电路PCB排版
电源操控电路PCB排版也是十分重要的。不合理的排版会构成电源输出电压的漂移和振动。操控线路应放置在功率电路的边上，肯定不能放在高频沟通环路的中心。旁路电容要尽量挨近芯片的Vcc和接地脚(GND)。反应分压电阻最好也放置在芯片邻近。芯片驱动至场效应管的环路也要尽量减短。
电源排版根本关键7 操控芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要尽量短。
2.3开关电源PCB排版例1
图21是图17 PCB的元器材面走线图。此电源中采用了一个贱价PWM操控器(Semtech类型SCIIO4A)。PCB基层是一个完好的接地层。此PCB功率地层与操控地层之间没有分隔。能够看到该电源的功率电路由输入插座(PCB左上端)经过输入滤波电容器(C1，C2，)，S1，S2，L1，输出滤波电容器(C10，C11，C12，C13)，一直到输出插座(PCB右下端)。SCll04A被放置在PCB的左下端。因为，在地层上功率电路电流不经过操控电路，所以，无必要将操控电路接地层与功率电路接地层进行分隔。假如输入插座是放置在PCB的左下端，那么在地层上功率电路电流会直接经过操控电路，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。此电源上运用了一个集成电源操控器(Semtech类型SC4519)。这种操控器将一个功率管集成在电源操控器芯片中。这样的电源十分简略，特别合适应用在便携式DVD机，ADSL，机顶盒等消费类电子产品。
同前面比如相同，关于这种简略开关电源，在PCB排版时也应留意以下几点。
1)由输入滤波电容(C3)，SC4519的接地脚(GND)，和D2所围成的环路面积必定要小。这意味着C3及D2有必要十分挨近SC4519。
2)可采用分隔的功率电路接地层和操控电路接地层。衔接到功率地层的元器材包含输入插座(VIN)，输出插座(VOUT)，输入滤波电容(C3)，输出滤波电容(C2)，D2，SC4519。衔接到操控地层的元器材包含输出分压电阻(R1，R2)，反应补偿电路(R3，C4，C3，)，使能插座(EN)，同步插座(SYNC)。
3)在SC4519接地脚的邻近加 个过孔将功率电路接地层与操控信号电路接地层单点式的相衔接。
图23是该电源PCB上层排地图。为了力便读者了解，功率接地层和操控信号接地层别离用不同色彩来表明。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左面并挨近功率接地层，而关于噪音较灵敏的反应补偿电路(R3，C4，C5)则被放存PCB右边并挨近操控信号接地层。D2十分挨近SC4519的脚3及脚4。图24是该电源PCB基层排地图。输入滤波电容(C3)被放置在PCB基层并十分挨近SC4519和功率接地层。
2.5开关电源PCB排版例3
最终评论一种多路输出开关电源PCB排版关键。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)。该电源运用了，一集成多路开关操控器(Serotech类型SC2453)。SC2453供给了4.5V～30V的宽输入电压规模，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。它还供给了一个专用可分配正压线性调节器和一个专用可分配负压线性调节器。TSSOP-28封装减小了所需线路板面积。两个异相降压转换器能够减小输入电流纹波。图25是这种多路开关电源的原理图。其间3.3V输出由5V输人发生，l.2V输出由12V输入发生，2.6V和1.8V输出由3.3V输入发生。因为该电源上一切元器材都有必要被放置在一个面积较小的PCB上，为此有必要将电源的功率地层和操控信号地层分隔开来。参照前面几节中评论过的关键，首要将图25中衔接到功率地层的元器材和衔接到操控信号地层的元器材区别开来，然后将操控信号元器材放在信号地层上并挨近SC2453操控信号地层与功率地层经过单点相衔接。这衔接点一般会挑选在操控芯片的接地脚(SC2453中的脚21)。图26详细描述了该电源排版方法。
电源排版根本关键8 开关电源功率电路和操控信号电路下的元器材需求衔接不同的接地层，这二个地层一般都是经过单点相衔接。
3 结语
开关电源PCB排版的8个关键：
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尽量小，多个电容并联能改进电容的阻抗特性;
2)电感的寄生并联%&&&&&%应尽量小，电感引脚焊盘之间的间隔越远越好;
3)防止在地层上放置任何功率或信号走线;
4)高频环路的面积应尽或许减小;
5)过孔放置小应损坏高频电流在地层上的途径;
6)体系板上一小同电路需求不同接地层，小同电路的接地层经过单点与电源接地层相衔接;
7)操控芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要尽量短;
8)开关电源功率电路和操控信号电路元器材需求衔接到小同的接地层，这二个地层一般都是经过单点相衔接。
