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开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI

标签:开关,开关电源,电源,模块,布线,设计,技巧,降低 时间:2019年10月16日 阅读11
【导读】开关电源模块源PCB排版是开发电源模块源产品中的一个紧张过程。很多情况下,一个在纸上设计得特别很是完善的电源模块源可能在初次调试时无法正常工作,缘故原由是该电源模块源的PCB排版存在着很多题目。    0、弁言       为了适应电源模块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,并把多组直流电源模块源直接安装在体系的线路板上。因为开关电源模块源产生的电源模块磁干扰会影响到其电源模块子产品的正常工作网站关键词优化,精确的电源模块源PCB排版就变得特别很是紧张。开关电源模块源PCB排版与数字电源模块路PCB排版完全不一样。在数字电源模块路排版中,很多数字芯片可以通过PCB软件来主动排列,且芯片之间的连接线可以通过PCB软件来主动连接。用主动排版体例排出的开关电源模块源一定无法正常工作。所以,没计人员必要对开关电源模块源PCB排版基本规则和开关电源模块源工作原理有肯定的了解。   1、开关电源模块源PCB排版基本要点1.1 电源模块容高频滤波特征   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   图1是电源模块容器基本结构和高频等效模型。   电源模块容的基本公式是   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   式(1)表现,减小电源模块容器极板之间的距离(d)和增长极板的截面积(A)将增长电源模块容器的电源模块容量。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   电源模块容通常存在等效串联电源模块阻(ESR)和等效串联电源模块感(ESL)二个寄生参数。图2是电源模块容器在不同工作频率下的阻抗(Zc)。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   一个电源模块容器的谐振频率(fo)可以从它自身电源模块容量(C)和等效串联电源模块感量(LESL)得到,即   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI      当一个电源模块容器工作频率在fo以下时,其阻抗随频率的上升而减小,即   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   当电源模块容器工作频率在fo以上时,其阻抗会随频率的上升而增长,即   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI     当电源模块容器工作频率接近fo时,电源模块容阻抗就等于它的等效串联电源模块阻(RESR)。   电源模块解电源模块容器一样平常都有很大的电源模块容量和很大的等效串联电源模块感。因为它的谐振频率很低,所以只能使用在低频滤波上。钽电源模块容器一样平常都有较大电源模块容量和较小等效串联电源模块感,因而它的谐振频率会高于电源模块解电源模块容器,并能使用在中高频滤波上。瓷片电源模块容器电源模块容量和等效串联电源模块感一样平常都很小,因而它的谐振频率远高于电源模块解电源模块容器和钽电源模块容器,所以能使用在高频滤波和旁路电源模块路上。因为小电源模块容量瓷片电源模块容器的谐振频率会比大电源模块容量瓷片电源模块容器的谐振频率要高,因此,在选择旁路电源模块容时不能光选用电源模块容值过高的瓷片电源模块容器。为了改善电源模块容的高频特征,多个不同特征的电源模块容器可以并联起来使用。图3是多个不同特征的电源模块容器并联后阻抗改善的结果。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   电源模块源排版基本要点1   旁路瓷片电源模块容器的电源模块容不能太大,而它的寄生串联电源模块感应尽量小,多个电源模块容器并联能改善电源模块容的高频阻抗特征。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI     图4表现了在一个PCB上输入电源模块源(Vin)至负载(RL)的不同走线体例。为了降低滤波电源模块容器(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。   1.2 电源模块感高频滤波特征    图5中的电源模块流环路类似于一匝线圈的电源模块感。高频交流电源模块流所产生的电源模块磁场R(t)将环绕在此环路的外部和内部。假如高频电源模块流环路面积(Ac)很大,就会在此环路的内外部产生很大的电源模块磁干扰。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   电源模块感的基本公式是   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI      从式(5)可知,减小环路的面积(Ac)和增长环路周长(lm)可减小L。   电源模块感通常存在等效并联电源模块阻(EPR)和等效并联电源模块容(Cp)二个寄生参数。图6是电源模块感在不同工作频率下的阻抗(ZL)。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   谐振频率(fo)可以从电源模块感自身电源模块感值(L)和它的等效并联电源模块容值(Cp)得到,即   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI     当一个电源模块感工作频率在fo以下时,电源模块感阻抗随频率的上升而增长,即   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI         当电源模块感工作频率在fo以上时,电源模块感阻抗随频率的上升而减小,即   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI     当电源模块感工作频率接近fo时,电源模块感阻抗就等于它的等效并联电源模块阻(REPR)。   在开关电源模块源中电源模块感的Cp应该控制得越小越好。同时必须细致到,统一电源模块感量的电源模块感会因为线圈结构不同而产生不同的Cp值。图7就表现了统一电源模块感量的电源模块感在二种不同的线圈结构下不同的Cp值。图7(a)电源模块感的5匝绕组是按顺序绕制。这种线圈结构的Cp值是l匝线圈等效并联电源模块容值(C)的1/5。图7(b)电源模块感的5匝绕组是按交叉顺序绕制。其中绕组4和5放置在绕组1、2、3之间,而绕组l和5特别很是靠近。这种线圈结构所产牛的Cp是1匝线圈C值的两倍。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   可以看到,雷同电源模块感量的两种电源模块感的Cp值居然相差达数倍。在高频滤波上假如一个电源模块感的Cp值太大,高频噪音就会很容易地通过Cp直接耦合到负载上。如许的电源模块感也就失去了它的高频滤波功能。   图8表现了在一个PCB上Vin通过L至负载(RL)的不同走线体例。为了降低电源模块感的Cp,电源模块感的二个引脚应尽量阔别。而Vin正极至RL和Vin负极至RL的走线应尽量靠近。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   电源模块源排版基本要点2:   电源模块感的寄生并联电源模块容应尽量小,电源模块感引脚焊盘之间的距离越远越好。   1.3 镜像面      电源模块磁理论中的镜像面概念对设计者掌握开关电源模块源的PCB排版会有很大的帮助。图9是镜像面的基本概念。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   图9(a)是当直流电源模块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源模块流特别很是均匀地分布在整个地层面上。图9(h)表现当高频电源模块流在统一个地层上方流过时的情景。此时在地层上的返回交流电源模块流只能流在地层面的中心而地层面的两边则完全没有电源模块流。一日.理解了镜像面概念百度网站优化,我们很容易看到在图10中地层面上走线的题目。接地层(Ground Plane),没汁人员应该尽量避免在地层上放置任何功率或旌旗灯号走线。一旦地层上的走线破坏了整个高频环路,该电源模块路会产牛很强的电源模块磁波辐射而破坏周边电源模块子器件的正常工作。   电源模块源排版基本要点3:   避免在地层上放置任何功率或旌旗灯号走线。保证地层的完备性。   1.4 高频环路      开关电源模块源中有很多由功率器件所组成的高频环路,假如对这△环路处婵得不好的话,就会对电源模块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源模块磁波噪音,该环路的面积应该控制得特别很是小。如图l1(a)所示,高频电源模块流环路面积很大,就会在环路的内部和外部产生很强的电源模块磁于扰。同样的高频电源模块流,当环路面积设计得特别很是小时,如图11(b)所示,环路内部和外部电源模块磁场互相抵消,整个电源模块路会变得特别很是恬静。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   电源模块源排版基本要点4:   高频环路的面积应尽可能减小。   1.5 过孔和焊盘放置      很多设计人员喜好在多层PCB卜放置许多过孔(VIAS)。但是,必须避免在高频电源模块流返同路径上放置过多过。否则,地层上高频电源模块流走线会遭到破坏。假如必须在高频电源模块流路径上放置一些过孔的活,过孔之间可以留出一空间让高频电源模块流顺利通过,图12表现了过孔放置体例。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   电源模块源排版基本要点5过孔放置不应破坏高频电源模块流在地层上的流经。   设计者同时应细致不同焊盘的外形会产生不同的串联电源模块感。图13表现了儿种焊盘外形的串联电源模块感值。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   旁路电源模块容(Decouple)的放置也要考虑到它的串联电源模块感值。旁路电源模块容必须是低阻抗和低ESL乩的瓷片电源模块容。但假如一个高品质瓷片电源模块容在PCB上放置的体例舛错,它的高频滤波功能也就消散了。图14表现了旁路电源模块容精确和错误的放置体例。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   1.6 电源模块源直流输出      很多开关电源模块源的负载阔别电源模块源的输出端口。为了避免输出走线受电源模块源自身或周边电源模块子器件所产生的电源模块磁下扰,输出电源模块源走线必须像图l5(b)那样靠得很近,使输出电源模块流环路的面积尽可能减小。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   l.7 地层在体系板上的分隔      新一代电源模块子产品体系板上会同时有模仿电源模块路、数字电源模块路、开关电源模块源电源模块路。为了减小开关电源模块源噪音对敏感的模仿和数字电源模块路的影响,通常必要分隔不同电源模块路的接地层。假如选用多层PCB,不同电源模块路的接地层可由不同PCB板层来分隔。假如整个产品只有一层接地层,则必须像图16中那样在单层中分隔。无论是在多层PCB上进行地层分隔照旧在单层PCB 上进行地层分隔,不同电源模块路的地层都应该通过单点与开关电源模块源的接地层相连接。   电源模块源排版基本要点6
  体系板上不同电源模块路必要不同接地层,不同电源模块路的接地层通过单点与电源模块源接地层相连接。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   2、开关电源模块源PCB排版例子      设汁人员应能在此线路图上区分出功率电源模块路中元器件和控制旌旗灯号电源模块路中元器件。假如设计者将该电源模块源中所有的元器件当作数字电源模块路中的元器件来处理,则题目会相称紧张。通常首先必要知道电源模块源高频电源模块流的路径,并区分小旌旗灯号控制电源模块路和功率电源模块路元器件及其走线。一样平常来讲,电源模块源的功率电源模块路重要包括输入滤波电源模块容、输出滤波电源模块容、滤波电源模块感、上下端功率场效应管。控制电源模块路重要包括PWM控制芯片、旁路电源模块容、自举电源模块路、反馈分压电源模块阻、反馈补偿电源模块路。   2.l 电源模块源功率电源模块路PCB排版      电源模块源功率器件在PCB上精确的放置和走线将决定整个电源模块源工作是否正常。设计人员首先要对开关电源模块源功率器件上的电源模块压和电源模块流的波形有逐一定的了解。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI      图18表现一个降压式开关电源模块源功率电源模块路元器件上的电源模块流和电源模块压波形。因为从输入滤波电源模块容(Cin),上端场效应管(S1)和F端场效应管(S2)中所流过的电源模块流是带有高频率和岑岭值的交流电源模块流,所以由Cin-S1-S2所形成的环路面积要尽量减小。同时由S2,L和输出滤波电源模块容(Cout)所组成的环路面积也要尽量减小。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   假如设汁者未按本文所述的要点来制作功率电源模块路PCB,很可能制作出网19所示的电源模块源PCB,图19的PCB排版存在很多错误:第一,因为Cin有很大的ESL,Cin的高频滤波能力基本上消散;第二,Cin-S1-S2和S1-LCout环路的面积太大,所产生的电源模块磁噪音会对电源模块源自己和周边电源模块路造成很大于扰;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-S2和S2-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。因为该连接点上的电源模块压是高频,S1、S2和L必要靠得特别很是近。虽然L和Cout之间的走线上没有岑岭值的高频电源模块流,但比较宽的走线可以降低直流阻抗的损耗使电源模块源的服从得到进步。假如成本上许可,电源模块源可用一壁完全是接地层的双面PCB,但必须细致在地层卜尽量避免走功率和旌旗灯号线。在电源模块源的输入和输出端口还各增长了一个瓷片电源模块容器来改善电源模块源的高频滤波性能。   2.2 电源模块源控制电源模块路PCB排版      电源模块源控制电源模块路PCB排版也是特别很是紧张的。不合理的排版会造成电源模块源输出电源模块压的漂移和振荡。控制线路应放置在功率电源模块路的边上,绝对不能放在高频交流环路的中心。旁路电源模块容要尽量靠近芯片的Vcc和接地脚(GND)。反馈分压电源模块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。   电源模块源排版基本要点7   控制芯片至上端和下端场效应管的驱动电源模块路环路要尽量短。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   2.3开关电源模块源PCB排版例1      图21是图17 PCB的元器件面走线图。此电源模块源中采用了一个低价PWM控制器(Semtech型号SCIIO4A)。PCB基层是一个完备的接地层。此PCB功率地层与控制地层之间没有分隔。可以看到该电源模块源的功率电源模块路由输入插座(PCB左上端)通过输入滤波电源模块容器(C1,C2,),S1,S2,L1,输出滤波电源模块容器(C10,C11,C12,C13),一向到输出插座(PCB右下端)。SCll04A被放置在PCB的左下端。由于,在地层上功率电源模块路电源模块流不通过控制电源模块路,所以,无需要将控制电源模块路接地层与功率电源模块路接地层进行分隔。假如输入插座是放置在PCB的左下端,那么在地层上功率电源模块路电源模块流会直接通过控制电源模块路,这时就有需要将二者分隔。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   2.4开关电源模块源PCB排版例2      图22是另一种降压式开关电源模块源,该电源模块源能使12V输入电源模块压转换成3.3V输出电源模块压,输出电源模块流可达3A。此电源模块源上使用了一个集成电源模块源控制器(Semtech型号SC4519)。这种控制器将一个功率管集成在电源模块源控制器芯片中。如许的电源模块源特别很是简单,尤其适合应用在便携式DVD机,ADSL,机顶盒等消耗类电源模块子产品。   同前面例子一样,对于这种简单开关电源模块源,在PCB排版时也应细致以下几点。       1)由输入滤波电源模块容(C3)深圳送水电话,SC4519的接地脚(GND),和D2所围成的环路面积肯定要小。这意味着C3及D2必须特别很是靠近SC4519。      2)可采用分隔的功率电源模块路接地层和控制电源模块路接地层。连接到功率地层的元器件包括输入插座(VIN),输出插座(VOUT),输入滤波电源模块容(C3),输出滤波电源模块容(C2),D2,SC4519。连接到控制地层的元器件包括输出分压电源模块阻(R1,R2),反馈补偿电源模块路(R3,C4,C3,),使能插座(EN),同步插座(SYNC)。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   3)在SC4519接地脚的附近加个过孔将功率电源模块路接地层与控制旌旗灯号电源模块路接地层单点式的相连接。   图23是该电源模块源PCB上层排版图。为了力便读者理解,功率接地层和控制旌旗灯号接地层分别用不同颜色来透露表现。在这里输入插座被放置在PCB的上方北京人事考试网首页,而输出插座被放置在PCB的下方.滤波电源模块感(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源模块路(R3,C4,C5)则被放存PCB右边并靠近控制旌旗灯号接地层。D2特别很是靠近SC4519的脚3及脚4。图24是该电源模块源PCB基层排版图。输入滤波电源模块容(C3)被放置在PCB基层并特别很是靠近SC4519和功率接地层。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   2.5开关电源模块源PCB排版例3      最后讨论一种多路输出开关电源模块源PCB排版要点。此电源模块源有3组输入电源模块压(12V,5V和3.3V),4组输出电源模块压(3.3v,2.6V,1.8V,1.2V)。该电源模块源使用了,一集成多路开关控制器(Serotech型号SC2453)。SC2453提供了4.5V~30V的宽输入电源模块压范围,两个高达700kHz开关频率和高达15A输出电源模块流,以及低至0.5V输出电源模块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源模块流纹波。图25是这种多路开关电源模块源的原理图。其中3.3V输出由5V输人产生,l.2V输出由12V输入产生,2.6V和1.8V输出由3.3V输入产生。因为该电源模块源上所有元器件都必须被放置在一个面积较小的PCB上,为此必须将电源模块源的功率地层和控制旌旗灯号地层分隔开来。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旌旗灯号地层的元器件区分开来,然后将控制旌旗灯号元器件放在旌旗灯号地层上并靠近SC2453控制旌旗灯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细致描述了该电源模块源排版体例。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   电源模块源排版基本要点8   开关电源模块源功率电源模块路和控制旌旗灯号电源模块路下的元器件必要连接不同的接地层,这二个地层一样平常都是通过单点相连接。   开关电源模块源的PCB布线设计技巧——降低EMI   3 、结语      开关电源模块源PCB排版的8个要点:     1)旁路瓷片电源模块容器的电源模块容不能太大,而它的寄生串联电源模块感应尽量小,多个电源模块容并联能改善电源模块容的阻抗特征; 2)电源模块感的寄生并联电源模块容应尽量小,电源模块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旌旗灯号走线; 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源模块流在地层上的路径; 6)体系板上一小同电源模块路必要不同接地层,小同电源模块路的接地层通过单点与电源模块源接地层相连接; 7)控制芯片至上端和下端场效应管的驱动电源模块路环路要尽量短; 8)开关电源模块源功率电源模块路和控制旌旗灯号电源模块路元器件必要连接到小同的接地层,这二个地层一样平常都是通过单点相连接。   本文来自:《百度文库》    

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