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便攜式系統(tǒng)開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用(下)

發(fā)布時(shí)間 :2016-12-05 10:02 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計(jì)部
2.5 過孔放置不應(yīng)破壞高頻交流電流在地層上路徑。
  許多PCB設(shè)計(jì)人員喜歡在多層PCB上放置很多過孔(VIAS)。但是必須避免在高頻交流電流返回路徑上放置過多過孔。否則,地層上高頻交流電流走線會(huì)遭到破壞。如果必須在高頻交流電流路徑上放置一些過孔的話,過孔之間可以留出一些空間讓高頻交流電流順利通過。圖5(a)顯示了過孔放置方式。
  設(shè)計(jì)者同時(shí)應(yīng)注意不同焊盤的形狀會(huì)產(chǎn)生不同的串聯(lián)電感。圖5(b)顯示了幾種焊盤形狀的串聯(lián)電感值。
  旁路電容(Decouple)的放置也要考慮到它的串聯(lián)電感值。旁路電容必須是低阻抗和低ESL的瓷片電容。但如果一個(gè)高品質(zhì)瓷片電容在PCB上放置的方式不對(duì),它的高頻濾波功能也就消失了。圖5(c)顯示了旁路電容正確和錯(cuò)誤的放置方式。
過孔放置方式
幾種焊盤形狀的串聯(lián)電感值
旁路電容正確和錯(cuò)誤的放置方式
2.6 電源直流輸出
  許多開關(guān)電源的負(fù)載遠(yuǎn)離電源的輸出端口。為了避免輸出走線受到電源自身或周邊電子器件所產(chǎn)生的電磁波干擾,輸出電源走線必須像圖6中那樣靠得很近。輸出電流環(huán)路的面積也必須減小。
輸出電源走線必須像圖6中那樣靠得很近
2.7 系統(tǒng)板上不同電路需要不同接地層。不同電路的接地層通過單點(diǎn)與電源接地層相連接。
  新一代電子產(chǎn)品系統(tǒng)板上會(huì)同時(shí)有模擬電路(Analog)、數(shù)字電路(0igital)及開關(guān)電源電路。為了減小開關(guān)電源噪音對(duì)敏感的模擬和數(shù)字電路的影響,通常需要分隔不同電路的接地層。如果選用多層PCB,不同電路的接地層可由不同PCB板層來分隔。如果整個(gè)產(chǎn)品只有一層接地層,則必須像圖7中那樣在單層中分隔。無論是在多層PCB上進(jìn)行地層分隔或是在單層PCB上進(jìn)行地層分隔,不同電路的地層都應(yīng)該通過單點(diǎn)與開關(guān)電源的接地相連接。
為了減小開關(guān)電源噪音對(duì)敏感的模擬和數(shù)字電路的影響,通常需要分隔不同電路的接地層
 
三、開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)則應(yīng)用舉例
  回到圖8(a)的開關(guān)電源原理圖;通常首先需要知道電源高頻交流電流的路徑,并能夠區(qū)分小信號(hào)控制電路和功率電路元器件及其走線。圖8(a)將傳統(tǒng)電源原理圖(即,沒有粗黑線的電路圖)區(qū)分成控制電路部分和功率電路部分。一般來講,電源的功率電路主要包括輸入濾波電容,輸出濾波電容,濾波電感,上下端功率場(chǎng)效應(yīng)管??刂齐娐分饕≒WM控制芯片,旁路電容,自舉電路,反饋分壓電阻,反饋補(bǔ)償電路。
3.1 電源功率電路PCB設(shè)計(jì)
  電源功率器件在PCB上正確的放置和走線將決定整個(gè)電源工作是否正常。設(shè)計(jì)人員首先要對(duì)開關(guān)電源功率器件上的電壓和電流的波形有一定的了解。圖8(b)更進(jìn)一步顯示一個(gè)降壓式開關(guān)電源功率電路元器件上的電流和電壓波形。由于從輸入濾波電容(CIN),上端場(chǎng)效應(yīng)管(Q1)和下端場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)中所流過的電流是帶有高頻率和高峰值的交流電流,所以由CIN-Q1-Q2所形成的環(huán)路面積要盡量減小。同時(shí)由下端場(chǎng)效應(yīng)管(Q2),電感(L),和輸出濾波電容(Cout)所組成的環(huán)路面積也需要盡量減小。
  如果未按照上述PCB設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)則的要點(diǎn)來制作功率電路PCB,很可能制作出有許多錯(cuò)誤的電源。
開關(guān)電源原理圖
一個(gè)降壓式開關(guān)電源功率電路元器件上的電流和電壓波形
一個(gè)比較好的電源功率電路PCB走線
  其錯(cuò)誤可能有如下幾點(diǎn):第一,由于輸入濾波電容(CIN)有很大的串聯(lián)電感(ESL),CIN的高頻濾波能力基本上消失。第二,CIN-Q1-Q2和Q2-L-Cout環(huán)路的面積太大,所產(chǎn)生的電磁噪音會(huì)對(duì)電源本身和周邊電路造成很大影響。第三,濾波電感(L)的焊盤靠得太近,造成等效并聯(lián)電容(CP) 太大而降低了它的高頻濾波功能。第四,輸出濾波電容(Cout)焊盤引線太長(zhǎng),造成等效串聯(lián)電感(ESL) 太大而失去了它的高頻濾波功能。
  圖8(c)是一個(gè)比較好的電源功率電路PCB走線。CIN-Q1-Q2和Q2-L-Cout 環(huán)路的面積已控制得最小。上端場(chǎng)效應(yīng)管(Q)的源極,下端場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)的漏極和輸出電感(L)之間的連接點(diǎn)是一整塊銅片焊盤。由于該連接點(diǎn)上的電壓是高頻和交流,Q1和Q2和L需要靠得非常近。雖然輸出濾波電感(L)和輸出濾波電容(Cout)之間的走線上沒有高峰值的高頻交流電流,但比較寬的走線可以降低直流阻抗的損耗使電源的效率得到提高。如果成本上允許,電源可用一面完全是接地層的雙面PCB。但必須注意在地層上盡量避免走功率和信號(hào)線。在電源的輸入和輸出端口還各增加了一個(gè)瓷片電容器來改善電源的高頻濾波性。
3.2 電源控制電路PCB設(shè)計(jì)
  電源控制電路PCB設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)則應(yīng)該控制芯片至上端和下端場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路環(huán)路要盡量短。
  電源控制電路PCB設(shè)計(jì)也是非常重要。不合理的排版會(huì)造成電源輸出電壓的漂移和振蕩??刂凭€路應(yīng)放置在功率電路的邊上,絕對(duì)不能放在高頻交流環(huán)路的中間。旁路電容要盡量靠近芯片的Vcc和接地腳(GND)。反饋分壓電阻最好也放置在芯片附近。芯片驅(qū)動(dòng)至場(chǎng)效應(yīng)管的環(huán)路也要盡量減短。
 
四、結(jié)束語
  上述開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)的排版技術(shù)規(guī)則7個(gè)要點(diǎn)應(yīng)在實(shí)踐中逐步掌握與應(yīng)用,使所設(shè)計(jì)的便攜式開關(guān)電源的高質(zhì)量符合便攜式電子系統(tǒng)的指標(biāo)。


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