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开关电源PCB排版基本要点解析

导读: 开关电源PCB排版是开发电源产品中的一个重要过程。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排版存在着许多问题。

开关电源PCB排版是开发电源产品中的一个重要过程。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排版存在着许多问题。本文详细讨论了开关电源PCB排版的基本要点,并描述了一些实用的PCB排版例子。

为了适应电子产品飞快的更新换代节奏,产品设计工程师更倾向于选择在市场上很容易采购到的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。由于开关电源产生的电磁干扰会影响到其电子产品的正常工作,正确的电源PCB排版就变得非常重要。开关电源PCB排版与数字电路PCB排版完全不一样。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。用自动排版方式排出的开关电源肯定无法正常工作。所以,设计人员需要对开关电源PCB排版基本规则和开关电源工作原理有一定的了解。

开关电源PCB排版基本要点

一、电容高频滤波特性

图1是电容器基本结构和高频等效模型

图1 电容器结构和寄生等效串联电阻和电感

电容的基本公式是式(1)显示,减小电容器极板之间的距离(d)和增加极板的截面积(A)将增加电容器的电容量。

电容通常存在等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)二个寄生参数。图2是电容器在不同工作频率下的阻抗(Zc)。

图2 电容阻抗(Zc)曲线

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

当一个电容器工作频率在fo以下时,其阻抗随频率的上升而减小,即

当电容器工作频率在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的电容量和很大的等效串联电感。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3是多个不同特性的电容器并联后阻抗改善的效果。

图3 多个电容器并联可改善阻抗特性

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尽量小,多个电容器并联能改善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)的不同走线方式。为了降低滤波电容器(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的走线应尽量靠近。

图4 滤波电路PCB走线方式

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