高頻開關電源的印制板設計優(yōu)化研究

許康恒 顧國帥 王正之

摘要：本文針對開關電源的高頻開關頻率引起電磁干擾問題進行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)化設計，解決各個方面的電磁干擾問題，減小電源的電磁干擾。

關鍵詞：開關電源；PCB布局；電磁干擾

中圖分類號：TM43 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0151-02

1 引言

開關電源的工作頻率一般都在幾百千赫茲以上，對周圍產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，影響同一系統(tǒng)中其他產(chǎn)品的正常使用，因此在開關電源的印制板設計時需充分各個方面的影響，不能使用PCB設計軟件的自動布線和自動布局功能，否則利用自動布局布線功能設計的PCB會使開關電源產(chǎn)生嚴重電磁干擾影響功效。本文針對開關電源印制板基本排版規(guī)則和元器件布局進行優(yōu)化設計。

2 PCB優(yōu)化研究

2.1 功率器件和磁性器件的優(yōu)化設計

開關電源內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產(chǎn)生強熱能和強磁場改變周邊電磁和熱環(huán)境，因此散熱是開關電源印制板布局時首先考慮的問題，如果是風冷散熱，應把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流量大的位置。

電感器、變壓器等磁性器件工作時有強磁場產(chǎn)生，容易發(fā)生磁耦合，元器件布局時應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。最好將它們進行屏蔽處理或者隔離開，特別是要與高頻變壓器做好隔離處理。

為了保證開關電源反饋回路和傳遞回路的信號的完整性，在器件布局時應將模擬電路/數(shù)字電路分開，保證兩個電路有個完整的地，且相互隔離。

2.2 電容的優(yōu)化設計

圖1是電容工作在千赫茲頻率時的等效模型。

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）來表示，開關電源電路中常用的鉭電容和瓷介電容在不同關頻率下的參數(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，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)化設計

開關電源中存在電流的環(huán)路，此種環(huán)路在有電流流過時相當于線圈匝數(shù)一的電感，如圖4所示，高頻工作狀態(tài)下，環(huán)路會產(chǎn)生強磁場。磁場強度即B（t）與環(huán)路面積即Ac成正比關系，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）兩個參數(shù)來表示。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會變大，高頻噪聲干擾會輕易通過電感CP值耦合到負載中，會導致電感失去高頻的濾波功效，因此在開關電源中電感的CP應該控制得越小越好。

2.4 過孔和焊盤放置

多層印制板設計中放置的過孔會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孔。在不可避免的狀態(tài)下也應留出足夠的空間在過孔之間保證高頻電流的流通。圖6為各種過孔的擺放方式。首先應保證高頻電流的走線完整性，因此最右側過孔的擺放方式最合理。

在應用中，旁路電容起到芯片供電電源的高頻濾波作用，一般旁路電路會用低ESL、ESR的電容。圖7是實際測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 應用電路測試

根據(jù)以上考慮和實際設計需求，對輸入電壓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)壓型開關電源進行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，樣機體積大小為130mm×70mm×30mm。經(jīng)過測試，本設計PCB符合設計規(guī)范。

4 結語

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

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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