開關電源的PCB排版其實是開發開關電源系列的產品中的一個重要進程。許多情況下，一個在規劃上是十分完美的電源或許在初度調試時就無法正常的作業，原因大部分是該開關電源的PCB排版存在著許多問題。
為了適應電子產品飛快的更新換代節奏，產品規劃工程師更傾向于選擇在市場上很簡略收購到的AC／DC適配器，并把多組直流電源直接安裝在體系的線路板上。因為開關電源發生的電磁攪擾會影響到其電子產品的正常作業，正確的電源PCB排版就變得十分重要。開關電源PCB排版與數字電路PCB排版完全不相同。在數字電路排版中，許多數字芯片能夠經過PCB軟件來自動排列，且芯片之間的連接線能夠經過PCB軟件來自動連接。用自動排版方法排出的開關電源肯定無法正常作業。所以，沒計人員需求對開關電源PCB排版基礎規則和開關電源作業原理有必定的了解。
1、開關電源PCB排版關鍵基礎
1.1電容高頻濾波特性
圖1是電容器基礎結構和高頻等效模型。
電容的基礎公式是
式(1)顯現，減小電容器極板之間的間隔(d)和添加極板的截面積(A)將添加電容器的電容量。
電容一般存在等效串聯電阻(ESR)和等效串聯電感(ESL)二個寄生參數。
圖2是電容器在不同作業頻率下的阻抗(Zc)。
一個電容器的諧振頻率(fo)能夠從它自身電容量(C)和等效串聯電感量(LESL)得到，即當一個電容器作業頻率在fo以下時，其阻抗隨頻率的上升而減小，即當電容器作業頻率在fo以上時，其阻抗會隨頻率的上升而添加，即當電容器作業頻率挨近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的電容量和很大的等效串聯電感。因為它的諧振頻率很低，所以只能運用在低頻濾波上。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，并能運用在中高頻濾波上。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，所以能運用在高頻濾波和旁路電路上。因為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能夠并聯起來運用。圖3是多個不同特性的電容器并聯后阻抗改善的作用。
開關電源排版關鍵基礎1
旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯電感應盡量小，多個電容器并聯能改善電容的高頻阻抗特性。
圖4顯現了在一個PCB上輸入電源(Vin)至負載(RL)的不同走線方法。為了下降濾波電容器(C)的ESL，其引線長度應盡量減短；而Vin。正極至RL和Vin負極至R1的走線應盡量挨近。
1.2電感高頻濾波特性圖5中的電流環路類似于一匝線圈的電感。高頻溝通電流所發生的電磁場R(t)將環繞在此環路的外部和內部。假如高頻電流環路面積(Ac)很大，就會在此環路的內外部發生很大的電磁攪擾。
電感的基礎公式是
從式(5)可知，減小環路的面積(Ac)和添加環路周長(lm)可減小L。
電感一般存在等效并聯電阻(EPR)和等效并聯電容(Cp)二個寄生參數。圖6是電感在不同作業頻率下的阻抗(ZL)。
諧振頻率(fo)能夠從電感自身電感值(L)和它的等效并聯電容值(Cp)得到，即
當一個電感作業頻率在fo以下時，電感阻抗隨頻率的上升而添加，即
當電感作業頻率在fo以上時，電感阻抗隨頻率的上升而減小，即
當電感作業頻率挨近fo時，電感阻抗就等于它的等效并聯電阻(REPR)。
在開關電源中電感的Cp應該操控得越小越好。同時有必要留意到，同一電感量的電感會因為線圈結構不同而發生不同的Cp值。圖7就顯現了同一電感量的電感在二種不同的線圈結構下不同的Cp值。圖7(a)電感的5匝繞組是按次序繞制。這種線圈結構的Cp值是l匝線圈等效并聯電容值(C)的1／5。圖7(b)電感的5匝繞組是按交叉次序繞制。其中繞組4和5放置在繞組1、2、3之間，而繞組l和5十分挨近。這種線圈結構所產牛的Cp是1匝線圈C值的兩倍。
能夠看到，相同電感量的兩種電感的Cp值竟然相差達數倍。在高頻濾波上假如一個電感的Cp值太大，高頻噪音就會很簡略地經過Cp直接耦合到負載上。這樣的電感也就失去了它的高頻濾波功用。
圖8顯現了在一個PCB上Vin經過L至負載(RL)的不同走線方法。為了下降電感的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的走線應盡量挨近。
電源排版關鍵基礎2：
電感的寄生并聯電容應盡量小，電感引腳焊盤之間的間隔越遠越好。
1.3鏡像面電磁理論中的鏡像面概念對規劃者掌握開關電源的PCB排版會有很大的幫助。圖9是鏡像面的基礎概念。
圖9(a)是當直流電流在一個接地層上方流過期的情形。此時在地層上的回來直流電流十分均勻地分布在整個地層面上。圖9(h)顯現當高頻電流在同一個地層上方流過期的情形。此時在地層上的回來溝通電流只能流在地層面的中心而地層面的兩邊則完全沒有電流。一日．理解了鏡像面概念，咱們很簡略看到在圖10中地層面上走線的問題。接地層(GroundPlane)，沒汁人員應該盡量防止在地層上放置任何功率或信號走線。一旦地層上的走線損壞了整個高頻環路，該電路會產牛很強的電磁波輻射而損壞周邊電子器材的正常作業。
電源排版關鍵基礎3:
防止在地層上放置任何功率或信號走線。確保地層的完好性。
1.4高頻環路開關電源中有許多由功率器材所組成的高頻環路，假如對這△環路處嬋得欠好的話，就會對電源的正常作業形成很大影響。為了減小高頻環路所發生的電磁波噪音，該環路的面積應該操控得十分小。如圖l1(a)所示，高頻電流環路面積很大，就會在環路的內部和外部發生很強的電磁于擾。同樣的高頻電流，當環路面積規劃得十分小時，如圖11(b)所示，環路內部和外部電磁場互相抵消，整個電路會變得十分安靜。
開關電源排版關鍵基礎4：
高頻環路的面積應盡或許減小。
1.5過孔和焊盤放置許多規劃人員喜歡在多層PCB卜放置許多過孔(VIAS)。但是，有必要防止在高頻電流返同路徑上放置過多過。否則，地層上高頻電流走線會遭到損壞。假如有必要在高頻電流路徑上放置一些過孔的活，過孔之間能夠留出一空間讓高頻電流順利經過，圖12顯現了過孔放置方法。
開關電源排版關鍵基礎5：
過孔放置不該損壞高頻電流在地層上的流經。
規劃者同時應留意不同焊盤的形狀會發生不同的串聯電感。圖13顯現了兒種焊盤形狀的串聯電感值。
旁路電容(Decouple)的放置也要考慮到它的串聯電感值。旁路電容有必要是低阻抗和低ESL乩的瓷片電容。但假如一個高品質瓷片電容在PCB上放置的方法不對，它的高頻濾波功用也就消失了。圖14顯現了旁路電容正確和過錯的放置方法。
1.6電源直流輸出許多開關電源的負載遠離電源的輸出端口。為了防止輸出走線受電源自身或周邊電子器材所發生的電磁下擾，輸出電源走線有必要像圖l5(b)那樣靠得很近，使輸出電流環路的面積盡或許減小。
1.7地層在體系板上的分隔新一代電子產品體系板上會同時有模仿電路、數字電路、開關電源電路。為了減小開關電源噪音對敏感的模仿和數字電路的影響，一般需求分隔不同電路的接地層。假如選用多層PCB，不同電路的接地層可由不同PCB板層來分隔。假如整個產品只要一層接地層，則有必要像圖16中那樣在單層中分隔。無論是在多層PCB上進行地層分隔還是在單層PCB上進行地層分隔，不同電路的地層都應該經過單點與開關電源的接地層相連接。
電源排版關鍵基礎6
體系板上不同電路需求不同接地層，不同電路的接地層經過單點與電源接地層相連接。
開關電源PCB排版比如規劃人員應能在此線路圖上區分出功率電路中元器材和操控信號電路中元器材。假如規劃者將該電源中所有的元器材當作數字電路中的元器材來處理，則問題會相當嚴重。一般首要需求知道電源高頻電流的路徑，并區分小信號操控電路和功率電路元器材及其走線。一般來講，電源的功率電路首要包含輸入濾波電容、輸出濾波電容、濾波電感、上下端功率場效應管。操控電路首要包含PWM操控芯片、旁路電容、自舉電路、反應分壓電阻、反應補償電路。
1、電源功率電路PCB排版電源功率器材在PCB上正確的放置和走線將決定整個電源作業是否正常。規劃人員首要要對開關電源功率器材上的電壓和電流的波形有一必定的了解。
圖18顯現一個降壓式開關電源功率電路元器材上的電流和電壓波形。因為從輸入濾波電容(Cin)，上端場效應管(S1)和F端場效應管(S2)中所流過的電流是帶有高頻率和高峰值的溝通電流，所以由Cin-S1-S2所構成的環路面積要盡量減小。同時由S2，L和輸出濾波電容(Cout)所組成的環路面積也要盡量減小。
假如規劃者未按本文所述的關鍵來制造功率電路PCB，很或許制造出網19所示的電源PCB，圖19的PCB排版存在許多過錯：第一，因為Cin有很大的ESL，Cin的高頻濾波能力基礎上消失；第二，Cin-S1-S2和S1-LCout環路的面積太大，所發生的電磁噪音會對電源自身和周邊電路形成很大于擾；第三，L的焊盤靠得太近，形成Cp太大而下降了它的高頻濾波功用；第四，Cout焊盤引線太長，形成FSL太大而失去了高頻濾波線。Cin-S1-S2和S2-L-Cout環路的面積已操控到最小。S1的源極，S2的漏極和L之問的連接點是一整塊銅片焊盤。因為該連接點上的電壓是高頻，S1、S2和L需求靠得十分近。雖然L和Cout之間的走線上沒有高峰值的高頻電流，但比較寬的走線能夠下降直流阻抗的損耗使電源的功率得到進步。假如本錢上允許，電源可用一面完全是接地層的雙面PCB，但有必要留意在地層卜盡量防止走功率和信號線。在電源的輸入和輸出端口還各添加了一個瓷片電容器來改善電源的高頻濾波功能。
2、電源操控電路PCB排版電源操控電路PCB排版也是十分重要的。不合理的排版會形成電源輸出電壓的漂移和振動。操控線路應放置在功率電路的邊上，肯定不能放在高頻溝通環路的中心。旁路電容要盡量挨近芯片的Vcc和接地腳(GND)。反應分壓電阻最好也放置在芯片附近。芯片驅動至場效應管的環路也要盡量減短。
電源排版關鍵基礎7
操控芯片至上端和下端場效應管的驅動電路環路要盡量短。
3、開關電源PCB排版例1圖21是圖17PCB的元器材面走線圖。此電源中采用了一個賤價PWM操控器(Semtech類型SCIIO4A)。PCB下層是一個完好的接地層。此PCB功率地層與操控地層之間沒有分隔。能夠看到該電源的功率電路由輸入插座(PCB左上端)經過輸入濾波電容器(C1，C2，)，S1，S2，L1，輸出濾波電容器(C10,C11,C12,C13)，一直到輸出插座(PCB右下端)。SCll04A被放置在PCB的左下端。因為，在地層上功率電路電流不經過操控電路，所以，無必要將操控電路接地層與功率電路接地層進行分隔。假如輸入插座是放置在PCB的左下端，那么在地層上功率電路電流會直接經過操控電路，這時就有必要將二者分隔。
4、開關電源PCB排版例2圖22是另一種降壓式開關電源，該電源能使12V輸入電壓轉換成3.3V輸出電壓，輸出電流可達3A。此電源上運用了一個集成電源操控器(Semtech類型SC4519)。這種操控器將一個功率管集成在電源操控器芯片中。這樣的電源十分簡略，尤其合適應用在便攜式DVD機，ADSL，機頂盒等消費類電子產品。
同前面比如相同，關于這種簡略開關電源，在PCB排版時也應留意以下幾點。
1) 由輸入濾波電容(C3)，SC4519的接地腳(GND)，和D2所圍成的環路面積必定要小。這意味著C3及D2有必要十分挨近SC4519。
2)可采用分隔的功率電路接地層和操控電路接地層。連接到功率地層的元器材包含輸入插座(VIN)，輸出插座(VOUT)，輸入濾波電容(C3)，輸出濾波電容(C2)，D2，SC4519。連接到操控地層的元器材包含輸出分壓電阻(R1，R2)，反應補償電路(R3，C4，C3，)，使能插座(EN)，同步插座(SYNC)。
3)在SC4519接地腳的附近加個過孔將功率電路接地層與操控信號電路接地層單點式的相連接。
圖23是該電源PCB上層排版圖。為了力便讀者理解，功率接地層和操控信號接地層別離用不同色彩來表明。在這里輸入插座被放置在PCB的上方，而輸出插座被放置在PCB的下方．濾波電感(L1)被放在PCB左邊并挨近功率接地層，而關于噪音較敏感的反應補償電路(R3，C4，C5)則被放存PCB右邊并挨近操控信號接地層。D2十分挨近SC4519的腳3及腳4。圖24是該電源PCB下層排版圖。輸入濾波電容(C3)被放置在PCB下層并十分挨近SC4519和功率接地層。
5、開關電源PCB排版例3最終討論一種多路輸出開關電源PCB排版關鍵。此電源有3組輸入電壓(12V，5V和3.3V)，4組輸出電壓(3.3v，2.6V，1.8V，1.2V)。該電源運用了，一集成多路開關操控器(Serotech類型SC2453)。SC2453供給了4.5V～30V的寬輸入電壓范圍，兩個高達700kHz開關頻率和高達15A輸出電流，以及低至0.5V輸出電壓的同步降壓轉換器。它還供給了一個專用可分配正壓線性調節器和一個專用可分配負壓線性調節器。TSSOP-28封裝減小了所需線路板面積。兩個異相降壓轉換器能夠減小輸入電流紋波。圖25是這種多路開關電源的原理圖。其中3.3V輸出由5V輸人發生，l.2V輸出由12V輸入發生，2.6V和1.8V輸出由3.3V輸入發生。因為該電源上所有元器材都有必要被放置在一個面積較小的PCB上，為此有必要將電源的功率地層和操控信號地層分隔開來。參照前面幾節中討論過的關鍵，首要將圖25中連接到功率地層的元器材和連接到操控信號地層的元器材區分開來，然后將操控信號元器材放在信號地層上并挨近SC2453操控信號地層與功率地層經過單點相連接。這連接點一般會選擇在操控芯片的接地腳(SC2453中的腳21)。圖26詳細描述了該電源排版方法。
電源排版關鍵基礎8
開關電源功率電路和操控信號電路下的元器材需求連接不同的接地層，這二個地層一般都是經過單點相連接。
開關電源PCB排版的8個關鍵：
1) 旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯電感應盡量小，多個電容并聯能改善電容的阻抗特性；
2) 電感的寄生并聯電容應盡量小，電感引腳焊盤之間的間隔越遠越好；
3) 防止在地層上放置任何功率或信號走線；
4) 高頻環路的面積應盡或許減小；
5) 過孔放置不該損壞高頻電流在地層上的路徑；
6) 體系板上一小同電路需求不同接地層，小同電路的接地層經過單點與電源接地層相連接；7)操控芯片至上端和下端場效應管的驅動電路環路要盡量短；
8)開關電源功率電路和操控信號電路元器材需求連接到小同的接地層，這二個地層一般都是經過單點相連接。
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