高頻開(kāi)關(guān)電源的印制板設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

許康恒 顧國(guó)帥 王正之

摘要：本文針對(duì)開(kāi)關(guān)電源的高頻開(kāi)關(guān)頻率引起電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行PCB排版的研究，特別是特殊元器件、高頻環(huán)路、焊盤等方面根據(jù)理論研究提出優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決各個(gè)方面的電磁干擾問(wèn)題，減小電源的電磁干擾。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；PCB布局；電磁干擾

中圖分類號(hào)：TM43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）06-0151-02

1 引言

開(kāi)關(guān)電源的工作頻率一般都在幾百千赫茲以上，對(duì)周圍產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，影響同一系統(tǒng)中其他產(chǎn)品的正常使用，因此在開(kāi)關(guān)電源的印制板設(shè)計(jì)時(shí)需充分各個(gè)方面的影響，不能使用PCB設(shè)計(jì)軟件的自動(dòng)布線和自動(dòng)布局功能，否則利用自動(dòng)布局布線功能設(shè)計(jì)的PCB會(huì)使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾影響功效。本文針對(duì)開(kāi)關(guān)電源印制板基本排版規(guī)則和元器件布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 PCB優(yōu)化研究

2.1 功率器件和磁性器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部存在大量功率器件，MOS管、高頻變壓器、二極管等在高頻工作模式下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)熱能和強(qiáng)磁場(chǎng)改變周邊電磁和熱環(huán)境，因此散熱是開(kāi)關(guān)電源印制板布局時(shí)首先考慮的問(wèn)題，如果是風(fēng)冷散熱，應(yīng)把MOS管、大電流整流管等功率器件安裝散熱片并將其放在印制板風(fēng)流量大的位置。

電感器、變壓器等磁性器件工作時(shí)有強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生，容易發(fā)生磁耦合，元器件布局時(shí)應(yīng)使兩兩之間正交放置減小磁耦合，在其周圍不宜緊密放置其他元器件。最好將它們進(jìn)行屏蔽處理或者隔離開(kāi)，特別是要與高頻變壓器做好隔離處理。

為了保證開(kāi)關(guān)電源反饋回路和傳遞回路的信號(hào)的完整性，在器件布局時(shí)應(yīng)將模擬電路/數(shù)字電路分開(kāi)，保證兩個(gè)電路有個(gè)完整的地，且相互隔離。

2.2 電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1是電容工作在千赫茲頻率時(shí)的等效模型。

如圖1所示電容等效模型，其性能可用寄生參數(shù)ESR（即等效串聯(lián)電阻）、ESL（等效串聯(lián)電感）來(lái)表示，開(kāi)關(guān)電源電路中常用的鉭電容和瓷介電容在不同關(guān)頻率下的參數(shù)變化如圖2所示。

鉭電解電容具有容值大等效的串聯(lián)電感小的特點(diǎn)，所以諧振頻率比普通的電解電容高，可在中高頻的濾波電路中應(yīng)用。相反瓷介電容容量小而等效的串聯(lián)電感小，所以諧振頻率比電解電容要高，可在更高頻的濾波電路和旁路電路應(yīng)用。

為了保證高頻工作狀態(tài)下電容的使用，多種類型的電容并聯(lián)使用會(huì)改善電容的等效串聯(lián)阻抗，如圖3所示，多種電容并聯(lián)可有效改善高頻狀態(tài)下的電容阻抗。

2.3 電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源中存在電流的環(huán)路，此種環(huán)路在有電流流過(guò)時(shí)相當(dāng)于線圈匝數(shù)一的電感，如圖4所示，高頻工作狀態(tài)下，環(huán)路會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度即B（t）與環(huán)路面積即Ac成正比關(guān)系，Ac越大，B（t）越大。

圖4為電感在電路中的等效模型，可用EPR（等效并聯(lián)電阻）、CP（等效并聯(lián)電容）兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示。圖5為電感的各種工作頻率狀態(tài)下的阻抗特性。

高頻率濾波電路中電感的Cp會(huì)變大，高頻噪聲干擾會(huì)輕易通過(guò)電感CP值耦合到負(fù)載中，會(huì)導(dǎo)致電感失去高頻的濾波功效，因此在開(kāi)關(guān)電源中電感的CP應(yīng)該控制得越小越好。

2.4 過(guò)孔和焊盤放置

多層印制板設(shè)計(jì)中放置的過(guò)孔會(huì)破壞高頻電流的走線，因此在高頻電流的回路中不能放太多的過(guò)孔。在不可避免的狀態(tài)下也應(yīng)留出足夠的空間在過(guò)孔之間保證高頻電流的流通。圖6為各種過(guò)孔的擺放方式。首先應(yīng)保證高頻電流的走線完整性，因此最右側(cè)過(guò)孔的擺放方式最合理。

在應(yīng)用中，旁路電容起到芯片供電電源的高頻濾波作用，一般旁路電路會(huì)用低ESL、ESR的電容。圖7是實(shí)際測(cè)量得到的旁路電容放置方式的性能比較，圖7（d）效果最好。

3 應(yīng)用電路測(cè)試

根據(jù)以上考慮和實(shí)際設(shè)計(jì)需求，對(duì)輸入電壓220V，三路輸出電壓（三路電壓分別為3.3V、8V、24V），輸出功率30W，效率80%的單端反激式三路穩(wěn)壓型開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行PCB布局布線，電路原理圖如圖8所示，最后布局效果圖如圖9所示，樣機(jī)體積大小為130mm×70mm×30mm。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本設(shè)計(jì)PCB符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

4 結(jié)語(yǔ)

如何抑制電磁干擾問(wèn)題是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中著重考慮的問(wèn)題，優(yōu)化PCB可以有效的減小電磁干擾，在設(shè)計(jì)優(yōu)化措施還有很多，比如鏡面層的考慮，多層板的布置等等。在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中時(shí)應(yīng)考慮各種因素，多方面考慮抑制高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，提高開(kāi)關(guān)電源電磁的兼容能力，使開(kāi)關(guān)電源得到更廣泛應(yīng)用。

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Abstract：This paper does the PCB layout research on electromagnetic interference caused by high frequency switching frequency of switching power supply， especially on special components， high frequency loop， solder and other aspects. According to theoretical research， an optimized design is proposed to solve electromagnetic interference problems in all aspects and reduce electromagnetic interference of power supply.

Key words：switch power supply；PCB layout；electromagnetic interference