多种技巧在PCB设计中的应用

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多种技巧在PCB设计中的应用 [复制链接]

           多种技巧在PCB设计中的应用

 

 现代电子工程领域中的数字设计人员和数字电路板设计人员在不断增加,这反映了行业的发展趋势。特别是模拟布局和数字布局技术是不能掉以轻心的,因为它直接关系到电子产品的质量, 而其工程化是电子科技成果产品化很关键的步骤,也是设计人员迫切希望了解并应掌握的问题

 值此本文以开关电源为例对PCB布线排版设计中就旁路电容、电感引脚、功率或信号走线、高频交流环路的面积、过孔和焊盘放置、输出电源走线、不同电路的不同接地层等几个方面技巧应用分析以实现降低电子产品的电磁干扰(EMl)。

 

 1开关电源中PCB 设计存在的挑战

当今电源的PCB设计排版存在着许多问题。例如,对一个智能电子设备上的降压式开关电源原理图来说,设计人员应能够在此线路图上区分功率电路中元器件和控制信号电路中元器件。如果设计者将这电源中所有的元器件当作数字电路中的元器件一样来处理，则问题会相当严重。开关电源PCB排版与数字电路PCB排版完全不一样。在数字电路排版中，许多数字芯片可以通过PCB软件来自动排列且芯片之间的连接线可以通过PCB软件来自动连接。用自动排版方式所排版出的开关电源肯定无法正常工作。所以，设计人员需要掌握和了解正确的开关电源PCB排版技术规则,当然亦需对开关电源各级技术状态有较清楚的认识。

 2 PCB 设计技巧

 2.1将多个电容器并联能改善电容的高频阻抗特性

 这是为什么？这应从电容高频滤波特性述起。众价周知，

 

此公式显示：减小电容器引脚之间的距离(d)和增加截面积(A)会增加电容器自身的电容量。

电容通常存在二个寄生参数：等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。

一个电容器的谐振频率(fo)可以从它自身电容量(c)和等效串联电感量(LESL)得到： 

当一个电容器工作频率在fo以下时，电容阻抗Zc随频率的上升而减小;当电容器工作频率在fo以上时，电容阻抗Zc会变得像电感阻抗一样随频率的上升而增加;当电容器工作频率接近fo时，电容阻抗就等于它的等效串联电阻(RESR)。

电解电容器一般都有很大电容量和很大等效串联电感。由于它的谐振频率很低，所以只能使用在低频滤波上。钽电容器一般都有较大电容量和较小等效串联电感，因而它的谐振频率会高于电解电容器，并能使用在中高频滤波上。瓷片电容器电容量和等效串联电感一般都很小，因而它的谐振频率远高于电解电容器和钽电容器，所以能使用在高频滤波和旁路电路上。由于小电容量瓷片电容器的谐振频率会比大电容量瓷片电容器的谐振频率要高，因此在

选择旁路电容时不能光选用电容值过高的瓷片电容器。为了改善电容的高频特性，多个不同特性的电容器可以并联起来使用。

   其图1(a)是多个不同特性的电容器并联后改善的阻抗效果。通过分析就不难理解此布线排版规则的重要了。而图1(b)显示了在一个PCB上输入电源(VIN)至负载(RL)的不同走线方式。为了降低滤波电容器(C)的ESL，电容器引脚的引线长度应尽量减短：而VIN 正极至及RL 和VIN负极至RL的走线应尽量靠近。

 

  2.2电感引脚之间的距离应越远越好。使电感的寄生并联电容量应该尽量减小。应从电感高频滤波特性来分析。其图2(a)中的电流环路类似于只有一圈线圈绕组的电感。

 

 

从图2(a)可以看到高频率交流电流所产生的电磁场B(t)会环绕在此环路的外部和内部。如果高频交流电流环路面积(Ac)很大，就会在此环路的内外部产生很大的电磁干扰。

电感的基本公式是：

  

此公式显示：减小环路的面积(Ac)和增加环路

的周长(lm)可减小电感值(L)。

电感通常存在二个寄生参数：等效并联电阻(EPR)和等效并联电容(Cp)。

谐振频率(fo)可以从电感自身电感值(L)和它的等效并联电容值(Cp)得到： 

  

当一个电感工作频率在fo以下时，电感阻抗随频率的上升而增加;当电感工作频率在fo以上时，电感阻抗随频率的上升而减小;当电感工作频率接近fo时，电感阻抗就等于它的等

效并联电阻(REPR)。

在开关电源的应用中电感的等效并联电容(CP)应该控制得越小越好。同时必须注意同一电感量的电感会由于线圈结构不同而产生不同的等效并联电容值(CP)。

而图2(b)就显示了同一电感量的电感在二种不同的线圈结构下不同的等效并联电容值。

 

 

图2(b) 中第一种电感的五圈绕组是按顺序绕制。这种线圈结构所产生的等效并联电容值(CP )是单组线圈等效并联电容值(C)的五分之一。图2(b)中第二种电感的五圈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#1和#5非常靠近.这种线圈结构所产生的等效并联电容值(Cp)是单组线圈等效并联电容值(C)的两倍。

可以看到，相同电感量的两种电感的等效并联电容值居然相差达十倍。在高频滤波上如果一个电感的等效并联电容值太大，高频噪音就会很容易地通过它的并联电容而直接流到负载上。这样的电感也就失去了它的高频滤波功能。

而图2(c)显示了在一个PCB上输入电源(VIN)通过电感(L)至负载(RL)的不同走线方式。为了降低电感的Cp，电感的二个引脚应尽量远离。而VIN 正极至RL和VIN 负极至RL上的走线应尽量靠近。

 

 2.3任何功率或信号走线避免在地层上,其原因应从介镜像面技术分析

 电磁理论中的镜像面概念会对设计者掌握开关电源的PCB排版观念会有很大的帮助。图3(a)是镜像面的基本概念。

 

 图3(a)中的A图是当直流电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流非常均匀地分布在整个地层面上。图3(a)中的B图显示当高频交流电流在同一个地层上方流过时的情景。此时在地层上的返回交流电流只能流在地层面的中间而地层面的两边则完全没有电流。一旦理解了镜像面概念，很容易看到在图3(b)中地层面上走线的问题。假设图3(b)中的地层面是开关电源PCB上的接地层(Ground Plane)，设计人员应该尽量避免在地层上放置任何功率或信号走线。一旦地层上的走线破坏了整个高频交流环路，该电路会产生很人的电磁波辐射而破坏周边电子器件的正常工作。

2.4尽量减小高频交流环路的面积,这是何因呐？

开关电源中有许多由功率器件所组成的高频交流环路，如果对这些环路处理得不好的话，就会对电源的正常工作造成很大影响。为了减小高频交流环路所产生的电磁波噪音，该环路的面积应该控制得非常小。如图4所示，如果高频交流电流环路面积Ac很大，就会在环路的内部和外部产生很大的电磁干扰。如果同样的高频交流电流，当环路面积设计得非常小时，环路内部和外部电磁场互相抵消，整个电路会变得非常安静。

 

 

2.5过孔放置不应破坏高频交流电流在地层上路径, 这应从了介过孔和焊盘放置问题述起

许多设计人员喜欢在多层PCB上放置很多过孔(VIAS)。但是必须避免在高频交流电流返回路径上放置过多过孔。否则，地层上高频交流电流走线会遭到破坏。如果必须在高频交流电流路径上放置一些过孔的话，过孔之间可以留出一些空间让高频交流电流顺利通过。图5(a)显示了过孔放置方式。

 

 

设计者同时应注意不同焊盘的形状会产生不同的串联电感。图5(b)显示了几种焊盘形状的串联电感值。

 

旁路电容(Decouple)的放置也要考虑到它的串联电感值。旁路电容必须是低阻抗和低ESL的瓷片电容。但如果一个高品质瓷片电容在PCB上放置的方式不对，它的高频滤波功能也就消失了。图5( c )显示了旁路电容正确和错误的放置方式。

 

 

    2.6输出电源走线必须像图6中那样靠得很近

许多开关电源的负载远离电源的输出端口。为了避免输出走线受到电源自身或周边电子器件所产生的电磁波干扰，输出电源走线必须像图6中那样靠得很近。输出电流环路的面积也必须减小。

 

2.7对于系统板上不同电路需要不同接地层，不同电路的接地层通过单点与电源接地层相连接。其因应从地层在系统板上的分隔问思题分析。

新一代电子产品系统板上会同时有模拟电路(Analog)、数字电路(0igital)及开关电源电路。为了减小开关电源噪音对敏感的模拟和数手电路的影响，通常需要分隔不同电路的接地层。如果选用多层PCB,不同电路的接地层可由不同PCB板层来分隔。如果整个产品只有一层接地层，则必须像图7中那样在单层中分隔。无论是在多层PCB上进行地层分隔或是在单层PCB上进行地层分隔，不同电路的地层都应该通过单点与开关中源的接地相连接.

 

3、开关电源PCB设计排版技巧应用举例

回到图8(a)的开关电源原理图；通常首先需要知道电源高频交流电流的路径，并能够区分小信号控制电路和功率电路元器件及其走线、图8(a)将传统电源原理图(即,没有粗黑线的电路图)区分成控制电路部分和功率电路部分。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。

 

 

3.1电源功率电路PCB排版例举

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定的了解。图8(b)更进一步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(Q1)和下端场效应管(Q2)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-Q1-Q2所形成的环路面积要尽量减小。同时由下端场效应管(Q2)，电感(L)，和输出滤波电容(Cout)所组成的环路面积也需要尽量减小。

 

如果末按照上述PCB排版技术规则的要点来制作功率电路PCB,很可能制作出有许多错误的电源PCB。

其错误可能有如下几点：第一，由于输入滤波电容(CIN)有很大的串联电感(ESL)，CIN的高频滤波能力基本上消失。第二，CIN-Q1-Q2和Q2-L-Cout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影响。第三，滤波电感(L)的焊盘靠得太近，造成它等效并联电容(CP)太大而降低了它的高频滤波功能.第四，输出滤波电容(Cout)焊盘引线太长，造成它等效串联电感(ESL)太大而失去了它的高频滤波功能。

图8(c)是一个比较好的电源功率电路PCB走线。CIN-Q1-Q2和Q2-L-Cout环路的面积已控制得最小。上端场效应管(Q)的源极，下端场效应管(Q2)的漏极和输出电感(L)之间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和交流，Q1和Q2和乙需要靠得非常近。虽然输出滤波电感(L)和输出滤波电容(Cout)之间的走线上没有高峰值的高频交流电流，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。但必须注意在地层上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.

 

 

3.2电源控制电路PCB排版

电源控制电路PCB排版技术规则应是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

电源控制电路PCB排版也是非常重要。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。

4．结束语

上述仅是开关电源PCB排版设计的八个要点,但具体技巧应用是应在实践中逐步掌握,使所设计的便携式开关电源的高质量符合便携式电子糸统的指标。