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开关电源的PCB排版要点详解
时间:2021-02-23 08:25:14 点击次数:19

开关电源PCB排版例子设计人员应能在此线路图上区分出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,则问题会相当严重。通常首先需要知道电源高频电流的路径,并区分小信号控制电路和功率电路元器件及其走线。一般来讲,电源的功率电路主要包括输入滤波电容、输出滤波电容、滤波电感、上下端功率场效应管。控制电路主要包括PWM控制芯片、旁路电容、自举电路、反馈分压电阻、反馈补偿电路。

1电源功率电路PCB排版电源功率器件在PCB上正确的放置和走线将决定整个电源工作是否正常。设计人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了解。

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)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交流电流,所以由Cin-S1-S2所形成的环路面积要尽量减小。同时由S2L和输出滤波电容(Cout)所组成的环路面积也要尽量减小。

 

如果设计者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19PCB排版存在许多错误:第一,由于Cin有很大的ESLCin的高频滤波能力基本上消失;第二,Cin-S1-S2S1-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太大而降低了它的高频滤波功能;第四,Cout焊盘引线太长,造成FSL太大而失去了高频滤波线。Cin-S1-S2S2-L-Cout环路的面积已控制到最小。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,S1S2L需要靠得非常近。虽然LCout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低直流阻抗的损耗使电源的效率得到提高。如果成本上允许,电源可用一面完全是接地层的双面PCB,但必须注意在地层卜尽量避免走功率和信号线。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善电源的高频滤波性能。

 

2电源控制电路PCB排版电源控制电路PCB排版也是非常重要的。不合理的排版会造成电源输出电压的漂移和振荡。控制线路应放置在功率电路的边上,绝对不能放在高频交流环路的中间。旁路电容要尽量靠近芯片的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尽量减短。

电源排版基本要点7

控制芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要尽量短。

 

3开关电源PCB排版例121是图17PCB的元器件面走线图。此电源中采用了一个低价PWM控制器(Semtech型号SCIIO4A)PCB下层是一个完整的接地层。此PCB功率地层与控制地层之间没有分隔。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(C1C2)S1S2L1,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通过控制电路,所以,无必要将控制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控制电路,这时就有必要将二者分隔。

 

4开关电源PCB排版例222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。此电源上使用了一个集成电源控制器(Semtech型号SC4519)。这种控制器将一个功率管集成在电源控制器芯片中。这样的电源非常简单,尤其适合应用在便携式DVD机,ADSL,机顶盒等消费类电子产品。

同前面例子一样,对于这种简单开关电源,在PCB排版时也应注意以下几点。

  1. 由输入滤波电容(C3)SC4519的接地脚(GND),和D2所围成的环路面积一定要小。这意味着C3D2必须非常靠近SC4519

    2)可采用分隔的功率电路接地层和控制电路接地层。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)D2SC4519。连接到控制地层的元器件包括输出分压电阻(R1R2),反馈补偿电路(R3C4C3),使能插座(EN),同步插座(SYNC)

     

    3)SC4519接地脚的附近加个过孔将功率电路接地层与控制信号电路接地层单点式的相连接。

    23是该电源PCB上层排版图。为了力便读者理解,功率接地层和控制信号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,而对于噪音较敏感的反馈补偿电路(R3C4C5)则被放存PCB右边并靠近控制信号接地层。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。

     

    5开关电源PCB排版例3最后讨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(12V5V3.3V)4组输出电压(3.3v2.6V1.8V1.2V)。该电源使用了,一集成多路开关控制器(Serotech型号SC2453)SC2453提供了4.5V30V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。它还提供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原理图。其中3.3V输出由5V输人产生,l.2V输出由12V输入产生,2.6V1.8V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控制信号地层分隔开来。参照前面几节中讨论过的要点,首先将图25中连接到功率地层的元器件和连接到控制信号地层的元器件区分开来,然后将控制信号元器件放在信号地层上并靠近SC2453控制信号地层与功率地层通过单点相连接。这连接点通常会选择在控制芯片的接地脚(SC2453中的脚21)。图26详细描述了该电源排版方式。

     

    电源排版基本要点8

    开关电源功率电路和控制信号电路下的元器件需要连接不同的接地层,这二个地层一般都是通过单点相连接。

     

    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尽量小,多个电容并联能改善电容的阻抗特性;

  2. 电感的寄生并联电容应尽量小,电感引脚焊盘之间的距离越远越好;

  3. 避免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可能减小;

  5. 过孔放置不应破坏高频电流在地层上的路径;

  6. 系统板上一小同电路需要不同接地层,小同电路的接地层通过单点与电源接地层相连接;7)控制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控制信号电路元器件需要连接到小同的接地层,这二个地层一般都是通过单点相连接。

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