第七章 开关电源PCB排版解析

第七章 开关电源PCB排版解析

7.1 镜像面

电磁理论中的镜像面概念对设计者掌握开关电源的PCB 排版会有很大的帮助。
　　下面是镜像面的基本概念。
　　(a)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。
　　(b)显示当高频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，我们很容易看到在地层面上走线的问题。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 6.1
假设下图６.２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环路，该电路会产生很强的电磁波辐射而破坏周边电子器件的正常工作。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 6.2
　　电源排版基本要点 ：
　　避免在地层上放置任何功率或信号走线。

7.2 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６.３（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干扰。同样的高频电流,当环路面积设计得非常小时，如图（b）所示，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。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 6.3
　　电源排版基本要点 ：
　　高频环路的面积应尽可能减小。

7.3 过孔和焊盘放置

许多设计人员都喜欢在多层PCB上放置很多过孔（VIAS）。但是，必须避免在高频电流返回路径上放置过多过孔。否则，底层上高频电流走线会遭到破坏。
　　如果必须在高频电流路径上放置一些过孔的话，过孔之间可以留出一些空间让高频电流顺利通过。下图就显示了过孔放置放置。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 6.4
　　电源排版基本要点 ：
　　过孔放置不应破坏高频电流在地层上的流经。
　　设计者同时应注意不同焊盘的形状会产生不同的串联电感。图6.5 显示了几种焊盘形状的串联电感值。
　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 6.5
　　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 的瓷片电容。但如果一个高品质瓷片电容在PCB 上放置的方式不对，它的高频滤波功能也就消失了。下面就显示了旁路电容正确和错误的放置方式。
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 6.6

7.4 电源直流输出

许多开关电源的负载远离电源的输出端口。为了避免输出走线受电源自身或者周边电子器件所产生的电磁干扰，输出电源走线必须像下图右二一样靠得很近，使输出电流环路的面积尽可能减小。
　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 6.7

7.5 地层在系统板上的分割

新一代电子产品系统上会同时有模拟电路、数字电路、开关电源电路。为了减小开关电源噪音对敏感的模拟和数字电路的影响，通常需要分割不同电路的接地层。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。
　　如果整个产品只有一层接地层，则必须像下图一样在单层中分隔。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，不同电路的地层都应该通过单点与开关电源的接地层相连接。
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 6.8
　　电源排版基本要点 ：
　　系统板上不同电路需要不同接地层，不同电路的接地层通过单点与电源接地层相连接。