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一、正確的開關電源PCB設計技術是開發便攜式設備的重要步驟

　　目前的開關電源開發，設計人員大多是在市場上選擇容易采購到的AC/DC適配器，并把多組直流電源直接安裝在系統的線路板上。然而由于開關電源會產生電磁波而影響到其電子產品的正常工作，則正確的電源PCB設計技術就變得非常重要。

　　許多情況下，一個在紙上設計得非常完美的電源可能在初次調試時無法正常工作，原因是該電源的PCB設計存在著許多問題。例如，對一個消費類電子設備上的降壓式開關電源原理圖來說，設計人員應能夠在此線路圖上區分功率電路中元器件和控制信號電路中元器件。如果設計者將這電源中所有的元器件當作數字電路中的元器件一樣來處理，則問題會相當嚴重。開關電源PCB設計與數字電路PCB設計完全不一樣。在數字電路排版中，許多數字芯片可以通過PCB軟件來自動排列且芯片之間的連接線可以通過PCB軟件來自動連接。用自動排版方式所排版出的開關電源肯定無法正常工作。所以，設計人員需要掌握和了解正確的開關電源PCB設計技術規則，當然亦需對開關電源各級技術狀態有較清楚的認識。

 

二、開關電源PCB設計技術規則

2.1 旁路瓷片電容器的電容量不能太大，而它的寄生串聯電感量應該盡量減小。多個電容器并聯能改善電容的高頻阻抗特性。為什么是這樣？這是因為電容高頻濾波的特性。

　　此公式顯示：減小電容器引腳之間的距離(d)和增加截面積(A)會增加電容器自身的電容量。

　　電容通常存在二個寄生參數：等效串聯電阻(ESR) 和等效串聯電感(ESL)。

　　一個電容器的諧振頻率(fo)可以從它自身電容量(c) 和等效串聯電感量(LESL)得到：

　　當一個電容器工作頻率在fo以下時，電容阻抗Zc隨頻率的上升而減小；當電容器工作頻率在fo以上時，電容阻抗Zc會變得像電感阻抗一樣隨頻率的上升而增加；當電容器工作頻率接近fo時，電容阻抗就等于它的等效串聯電阻(RESR)。

　　電解電容器一般都有很大電容量和很大等效串聯電感。由于它的諧振頻率很低，所以只能使用在低頻濾波上。鉭電容器一般都有較大電容量和較小等效串聯電感，因而它的諧振頻率會高于電解電容器，并能使用在中高頻濾波上。瓷片電容器電容量和等效串聯電感一般都很小，因而它的諧振頻率遠高于電解電容器和鉭電容器，所以能使用在高頻濾波和旁路電路上。由于小電容量瓷片電容器的諧振頻率會比大電容量瓷片電容器的諧振頻率要高，因此在選擇旁路電容時不能光選用電容值過高的瓷片電容器。為了改善電容的高頻特性，多個不同特性的電容器可以并聯起來使用。

　　圖1(a)是多個不同特性的電容器并聯后改善的阻抗效果。通過分析就不難理解此排版規則的重要了。圖1(b)顯示了在一個PCB上輸入電源(VIN)至負載(RL)的不同走線方式。為了降低濾波電容器(C)的ESL，電容器引腳的引線長度應盡量減短：而VIN 正極至及RL 和VIN負極至RL的走線應盡量靠近。

2.2 電感的寄生并聯電容量應該盡量減小。電感引腳之間的距離越遠越好。也是因為電感高頻濾波特性。

　　圖2(a)中的電流環路類似于只有一圈線圈繞組的電感。可以看到高頻率交流電流所產生的電磁場B(t)會環繞在此環路的外部和內部。如果高頻交流電流環路面積(Ac)很大，就會在此環路的內外部產生很大的電磁干擾。

　　此公式顯示：減小環路的面積(Ac)和增加環路的周長(lm)可減小電感值(L)。

　　電感通常存在二個寄生參數：等效并聯電阻(EPR) 和等效并聯電容(Cp)。

　　諧振頻率(fo)可以從電感自身電感值(L)和它的等效并聯電容值(Cp)得到：

　　當一個電感工作頻率在fo以下時，電感阻抗隨頻率的上升而增加；當電感工作頻率在fo以上時，電感阻抗隨頻率的上升而減小；當電感工作頻率接近fo時，電感阻抗就等于它的等效并聯電阻(REPR)。

　　在開關電源的應用中電感的等效并聯電容(CP)應該控制得越小越好。同時必須注意同一電感量的電感會由于線圈結構不同而產生不同的等效并聯電容值(CP)。

　　圖2(b)就顯示了同一電感量的電感在二種不同的線圈結構下不同的等效并聯電容值。

　　圖2(b) 中第一種電感的五圈繞組是按順序繞制。這種線圈結構所產生的等效并聯電容值(CP)是單組線圈等效并聯電容值(C)的五分之一。圖2(b)中第二種電感的五圈繞組是按交叉順序繞制。其中繞組#4和#5放置在繞組#1#2#3之間而繞組#1和#5非常靠近。這種線圈結構所產生的等效并聯電容值(CP)是單組線圈等效并聯電容值(C)的兩倍。

　　可以看到，相同電感量的兩種電感的等效并聯電容值居然相差達十倍。在高頻濾波上如果一個電感的等效并聯電容值太大，高頻噪音就會很容易地通過它的并聯電容而直接流到負載上。這樣的電感也就失去了它的高頻濾波功能。

　　圖2(c)顯示了在一個PCB上輸入電源(VIN)通過電感(L)至負載(RL)的不同走線方式。為了降低電感的Cp，電感的二個引腳應盡量遠離。而VIN正極至RL和VIN負極至RL上的走線應盡量靠近。

2.3 避免在地層上放置任何功率或信號走線。

　　電磁理論中的鏡像面概念會對設計者掌握開關電源的PCB設計觀念會有很大的幫助。圖3(a)是鏡像面的基本概念。

圖3(a)中的A圖是當直流電流在一個接地層上方流過時的情景。此時在地層上的返回直流電流非常均勻地分布在整個地層面上。圖3(a)中的B圖顯示當高頻交流電流在同一個地層上方流過時的情景。此時在地層上的返回交流電流只能流在地層面的中間而地層面的兩邊則完全沒有電流。一旦理解了鏡像面概念，很容易看到在圖3(b)中地層面上走線的問題。假設圖3(b)中的地層面是開關電源PCB上的接地層(Ground Plane)，設計人員應該盡量避免在地層上放置任何功率或信號走線。一旦地層上的走線破壞了整個高頻交流環路，該電路會產生很大的電磁波輻射而破壞周邊電子器件的正常工作。

2.4 高頻交流環路的面積應該盡量減小。

　　開關電源中有許多由功率器件所組成的高頻交流環路，如果對這些環路處理得不好的話，就會對電源的正常工作造成很大影響。為了減小高頻交流環路所產生的電磁波噪音，該環路的面積應該控制得非常小。如圖4所示，如果高頻交流電流環路面積Ac很大，就會在環路的內部和外部產生很大的電磁干擾。如果同樣的高頻交流電流，當環路面積設計得非常小時，環路內部和外部電磁場互相抵消，整個電路會變得非常安靜。