PCB布线设计.pdf

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1、PCB 布线设计（一）布线设计（一）在当今激烈竞争的电池供电市场中，由于成本指标限制，设计人员常常使用双面板。尽管多层板(4 层、6 层及 8 层)方案在尺寸、噪声和性能方面具有明显优势，成本压力却促使工程师们重新考虑其布线策略，采用双面板。在本文中，我们将讨论自动布线功能的正确使用和错误使用，有无地平面时电流回路的设计策略，以及对双面板元件布局的建议。自动布线的优缺点以及模拟电路布线的注意事项自动布线的优缺点以及模拟电路布线的注意事项 设计 PCB 时，往往很想使用自动布线。通常，纯数字的电路板(尤其信号电平比较低，电路密度比较小时)采用自动布线是没有问题的。但是，在设计模拟、混合信号或高速

2、电路板时，如果采用布线软件的自动布线工具，可能会出现一些问题，甚至很可能带来严重的电路性能问题。例如，图 1 中显示了一个采用自动布线设计的双面板的顶层。此双面板的底层如图 2 所示，这些布线层的电路原理图如图 3a 和图 3b 所示。设计此混合信号电路板时，经仔细考虑，将器件手工放在板上，以便将数字和模拟器件分开放置。采用这种布线方案时，有几个方面需要注意，但最麻烦的是接地。如果在顶层布地线，则顶层的器件都通过走线接地。器件还在底层接地，顶层和底层的地线通过电路板最右侧的过孔连接。当检查这种布线策略时，首先发现的弊端是存在多个地环路。另外，还会发现底层的地线返回路径被水平信号线隔断了。这种接

3、地方案的可取之处是，模拟器件(12 位 A/D转换器 MCP3202 和 2.5V 参考电压源 MCP4125)放在电路板的最右侧，这种布局确保了这些模拟芯片下面不会有数字地信号经过。图 3a 和图 3b 所示电路的手工布线如图 4、图 5 所示。在手工布线时，为确保正确实现电路，需要遵循一些通用的设计准则：尽量采用地平面作为电流回路；将模拟地平面和数字地平面分开；如果地平面被信号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直；模拟电路尽量靠近电路板边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做可以降低由数字开关引起的 di/dt 效应。这两种双面板都在底层布有地平面，这种做法

4、是为了方便工程师解决问题，使其可快速明了电路板的布线。厂商的演示板和评估板通常采用这种布线策略。但是，更为普遍的做法是将地平面布在电路板顶层，以降低电磁干扰。图 1 采用自动布线为图 3 所示电路原理图设计的电路板的顶层 图 2 采用自动布线为图 3 所示电路原理图设计的电路板的底层 图 3a 图 1、图 2、图 4 和图 5 中布线的电路原理图 图 3b 图 1、图 2、图 4 和图 5 中布线的模拟部分电路原理图 有无地平面时的电流回路设计有无地平面时的电流回路设计 对于电流回路，需要注意如下基本事项：1.如果使用走线，应将其尽量加粗 PCB 上的接地连接如要考虑走线时，设计应将走线尽量加

5、粗。这是一个好的经验法则，但要知道，接地线的最小宽度是从此点到末端的有效宽度，此处“末端”指距离电源连接端最远的点。2.应避免地环路 3.如果不能采用地平面，应采用星形连接策略(见图 6)通过这种方法，地电流独立返回电源连接端。图 6 中，注意到并非所有器件都有自己的回路，U1 和 U2 是共用回路的。如遵循以下第 4 条和第 5 条准则，是可以这样做的。4.数字电流不应流经模拟器件 数字器件开关时，回路中的数字电流相当大，但只是瞬时的，这种现象是由地线的有效感抗和阻抗引起的。对于地平面或接地走线的感抗部分，计算公式为 V=Ldi/dt，其中 V 是产生的电压，L 是地平面或接地走线的感抗，d

6、i 是数字器件的电流变化，dt 是持续时间。对地线阻抗部分的影响，其计算公式为 V=RI,其中，V 是产生的电压，R 是地平面或接地走线的阻抗，I 是由数字器件引起的电流变化。经过模拟器件的地平面或接地走线上的这些电压变化，将改变信号链中信号和地之间的关系(即信号的对地电压)。5.高速电流不应流经低速器件 与上述类似，高速电路的地返回信号也会造成地平面的电压发生变化。此干扰的计算公式和上述相同，对于地平面或接地走线的感抗，V=Ldi/dt；对于地平面或接地走线的阻抗，V=RI。与数字电流一样，高速电路的地平面或接地走线经过模拟器件时，地线上的电压变化会改变信号链中信号和地之间的关系。图 4 采

7、用手工走线为图 3 所示电路原理图设计的电路板的顶层 图 5 采用手工走线为图 3 所示电路原理图设计的电路板的底层 图 6 如果不能采用地平面，可以采用“星形”布线策略来处理电流回路 图 7 分隔开的地平面有时比连续的地平面有效 图 b)接地布线策略比图 a)的接地策略理想 6.不管使用何种技术，接地回路必须设计为最小阻抗和容抗 7.如使用地平面，分隔开地平面可能改善或降低电路性能，因此要谨慎使用 分开模拟和数字地平面的有效方法如图 7 所示 图 7 中，精密模拟电路更靠近接插件，但是与数字网络和电源电路的开关电流隔离开了。这是分隔开接地回路的非常有效的方法，我们在前面讨论的图 4 和图 5

8、 的布线也采用了这种技术。PCB 布线设计（二）布线设计（二）工程领域中的数字设计人员和数字电路板设计专家在不断增加，这反映了行业的发展趋势。尽管对数字设计的重视带来了电子产品的重大发展，但仍然存在，而且还会一直存在一部分与模拟或现实环境接口的电路设计。模拟和数字领域的布线策略有一些类似之处，但要获得更好的结果时，由于其布线策略不同，简单电路布线设计就不再是最优方案了。本文就旁路电容、电源、地线设计、电压误差和由 PCB 布线引起的电磁干扰(EMI)等几个方面，讨论模拟和数字布线的基本相似之处及差别。模拟和数字布线策略的相似之处模拟和数字布线策略的相似之处 旁路或去耦电容旁路或去耦电容 在布线

9、时，模拟器件和数字器件都需要这些类型的电容，都需要靠近其电源引脚连接一个电容，此电容值通常为 0.1mF。系统供电电源侧需要另一类电容，通常此电容值大约为10mF。这些电容的位置如图 1 所示。电容取值范围为推荐值的 1/10 至 10 倍之间。但引脚须较短，且要尽量靠近器件(对于 0.1mF 电容)或供电电源(对于 10mF 电容)。在电路板上加旁路或去耦电容，以及这些电容在板上的位置，对于数字和模拟设计来说都属于常识。但有趣的是，其原因却有所不同。在模拟布线设计中，旁路电容通常用于旁路电源上的高频信号，如果不加旁路电容，这些高频信号可能通过电源引脚进入敏感的模拟芯片。一般来说，这些高频信号

10、的频率超出模拟器件抑制高频信号的能力。如果在模拟电路中不使用旁路电容的话，就可能在信号路径上引入噪声，更严重的情况甚至会引起振动。图 1 在模拟和数字 PCB 设计中，旁路或去耦电容(1mF)应尽量靠近器件放置。供电电源去耦电容(10mF)应放置在电路板的电源线入口处。所有情况下，这些电容的引脚都应较短 图 2 在此电路板上，使用不同的路线来布电源线和地线，由于这种不恰当的配合，电路板的电子元器件和线路受电磁干扰的可能性比较大 图 3 在此单面板中，到电路板上器件的电源线和地线彼此靠近。此电路板中电源线和地线的配合比图 2 中恰当。电路板中电子元器件和线路受电磁干扰(EMI)的可能性降低了 6

11、79/12.8倍或约 54 倍 对于控制器和处理器这样的数字器件，同样需要去耦电容，但原因不同。这些电容的一个功能是用作“微型”电荷库。在数字电路中，执行门状态的切换通常需要很大的电流。由于开关时芯片上产生开关瞬态电流并流经电路板，有额外的“备用”电荷是有利的。如果执行开关动作时没有足够的电荷，会造成电源电压发生很大变化。电压变化太大，会导致数字信号电平进入不确定状态，并很可能引起数字器件中的状态机错误运行。流经电路板走线的开关电流将引起电压发生变化，电路板走线存在寄生电感，可采用如下公式计算电压的变化：V=LdI/dt 其中，V=电压的变化；L=电路板走线感抗；dI=流经走线的电流变化；dt

12、=电流变化的时间。因此，基于多种原因，在供电电源处或有源器件的电源引脚处施加旁路(或去耦)电容是较好的做法。电源线和地线要布在一起电源线和地线要布在一起 电源线和地线的位置良好配合，可以降低电磁干扰的可能性。如果电源线和地线配合不当，会设计出系统环路，并很可能会产生噪声。电源线和地线配合不当的 PCB 设计示例如图2 所示。此电路板上，设计出的环路面积为 697cm2。采用图 3 所示的方法，电路板上或电路板外的辐射噪声在环路中感应电压的可能性可大为降低。模拟和数字领域布线策略的不同之处模拟和数字领域布线策略的不同之处 地平面是个难题地平面是个难题 电路板布线的基本知识既适用于模拟电路，也适用

13、于数字电路。一个基本的经验准则是使用不间断的地平面，这一常识降低了数字电路中的 dI/dt(电流随时间的变化)效应，这一效应会改变地的电势并会使噪声进入模拟电路。数字和模拟电路的布线技巧基本相同，但有一点除外。对于模拟电路，还有另外一点需要注意，就是要将数字信号线和地平面中的回路尽量远离模拟电路。这一点可以通过如下做法来实现：将模拟地平面单独连接到系统地连接端，或者将模拟电路放置在电路板的最远端，也就是线路的末端。这样做是为了保持信号路径所受到的外部干扰最小。对于数字电路就不需要这样做，数字电路可容忍地平面上的大量噪声，而不会出现问题。图 4(左)将数字开关动作和模拟电路隔离，将电路的数字和模

14、拟部分分开。(右)要尽可能将高频和低频分开，高频元件要靠近电路板的接插件 图 5 在 PCB 上布两条靠近的走线，很容易形成寄生电容。由于这种电容的存在，在一条走线上的快速电压变化，可在另一条走线上产生电流信号 图 6 如果不注意走线的放置，PCB 中的走线可能产生线路感抗和互感。这种寄生电感对于包含数字开关电路的电路运行是非常有害的 元件的位置元件的位置 如上所述，在每个 PCB 设计中，电路的噪声部分和“安静”部分(非噪声部分)要分隔开。一般来说，数字电路“富含”噪声，而且对噪声不敏感(因为数字电路有较大的电压噪声容限)；相反，模拟电路的电压噪声容限就小得多。两者之中，模拟电路对开关噪声最

15、为敏感。在混合信号系统的布线中，这两种电路要分隔开，如图 4 所示。PCB 设计产生的寄生元件设计产生的寄生元件 PCB 设计中很容易形成可能产生问题的两种基本寄生元件：寄生电容和寄生电感。设计电路板时，放置两条彼此靠近的走线就会产生寄生电容。可以这样做：在不同的两层，将一条走线放置在另一条走线的上方；或者在同一层，将一条走线放置在另一条走线的旁边，如图 5 所示。在这两种走线配置中，一条走线上电压随时间的变化(dV/dt)可能在另一条走线上产生电流。如果另一条走线是高阻抗的，电场产生的电流将转化为电压。快速电压瞬变最常发生在模拟信号设计的数字侧。如果发生快速电压瞬变的走线靠近高阻抗模拟走线，

16、这种误差将严重影响模拟电路的精度。在这种环境中，模拟电路有两个不利的方面：其噪声容限比数字电路低得多；高阻抗走线比较常见。采用下述两种技术之一可以减少这种现象。最常用的技术是根据电容的方程，改变走线之间的尺寸。要改变的最有效尺寸是两条走线之间的距离。应该注意，变量 d 在电容方程的分母中，d 增加，容抗会降低。可改变的另一个变量是两条走线的长度。在这种情况下，长度 L 降低，两条走线之间的容抗也会降低。另一种技术是在这两条走线之间布地线。地线是低阻抗的，而且添加这样的另外一条走线将削弱产生干扰的电场，如图 5 所示。电路板中寄生电感产生的原理与寄生电容形成的原理类似。也是布两条走线，在不同的两

17、层，将一条走线放置在另一条走线的上方；或者在同一层，将一条走线放置在另一条的旁边，如图 6 所示。在这两种走线配置中，一条走线上电流随时间的变化(dI/dt)，由于这条走线的感抗，会在同一条走线上产生电压；并由于互感的存在，会在另一条走线上产生成比例的电流。如果在第一条走线上的电压变化足够大，干扰可能会降低数字电路的电压容限而产生误差。并不只是在数字电路中才会发生这种现象，但这种现象在数字电路中比较常见，因为数字电路中存在较大的瞬时开关电流。为消除电磁干扰源的潜在噪声，最好将“安静”的模拟线路和噪声 I/O 端口分开。要设法实现低阻抗的电源和地网络，应尽量减小数字电路导线的感抗，尽量降低模拟电

18、路的电容耦合。结语结语 数字和模拟范围确定后，谨慎地布线对获得成功的 PCB 至关重要。布线策略通常作为经验准则向大家介绍，因为很难在实验室环境中测试出产品的最终成功与否。因此，尽管数字和模拟电路的布线策略存在相似之处，还是要认识到并认真对待其布线策略的差别。PCB 布线设计（三）布线设计（三）布线需要考虑的问题很多，但是最基本的的还是要做到周密，谨慎。寄生元件危害最大的情况寄生元件危害最大的情况 印刷电路板布线产生的主要寄生元件包括：寄生电阻、寄生电容和寄生电感。例如：PCB的寄生电阻由元件之间的走线形成；电路板上的走线、焊盘和平行走线会产生寄生电容；寄生电感的产生途径包括环路电感、互感和过

19、孔。当将电路原理图转化为实际的 PCB 时，所有这些寄生元件都可能对电路的有效性产生干扰。本文将对最棘手的电路板寄生元件类型 寄生电容进行量化，并提供一个可清楚看到寄生电容对电路性能影响的示例。图 1 在 PCB 上布两条靠近的走线，很容易产生寄生电容。由于这种寄生电容的存在，在一条走线上的快速电压变化会在另一条走线上产生电流信号。图 2 用三个 8 位数字电位器和三个放大器提供 65536 个差分输出电压，组成一个 16 位 D/A转换器。如果系统中的 VDD 为 5V，那么此 D/A 转换器的分辨率或 LSB 大小为 76.3mV。图 3 这是对图 2 所示电路的第一次布线尝试。此配置在模

20、拟线路上产生不规律的噪声，这是因为在特定数字走线上的数据输入码随着数字电位器的编程需求而改变。寄生电容的危害寄生电容的危害 大多数寄生电容都是靠近放置两条平行走线引起的。可以采用图 1 所示的公式来计算这种电容值。在混合信号电路中，如果敏感的高阻抗模拟走线与数字走线距离较近，这种电容会产生问题。例如，图 2 中的电路就很可能存在这种问题。为讲解图 2 所示电路的工作原理，采用三个 8 位数字电位器和三个 CMOS 运算放大器组成一个 16 位 D/A 转换器。在此图的左侧，在 VDD 和地之间跨接了两个数字电位器(U3a 和U3b)，其抽头输出连接到两个运放(U4a 和 U4b)的正相输入端。

21、数字电位器 U2 和 U3 通过与单片机(U1)之间的 SPI 接口编程。在此配置中，每个数字电位器配置为 8 位乘法型 D/A转换器。如果 VDD 为 5V，那么这些 D/A 转换器的 LSB 大小等于 19.61mV。这两个数字电位器的抽头都分别连接到两个配置了缓冲器的运放的正相输入端。在此配置中，运放的输入端是高阻抗的，将数字电位器与电路其它部分隔离开了。这两个放大器配置为其输出摆幅限制不会超出第二级放大器的输入范围。图 4 在此示波器照片中，最上面的波形取自 JP1(到数字电位器的数字码)，第二个波形取自JP5(相邻模拟走线上的噪声)，最下面的波形取自 TP10(16 位 D/A 转换

22、器输出端的噪声)。图 5 采用这种新的布线，将模拟线路和数字线路隔离开了。增大走线之间的距离，基本消除了在前面布线中造成干扰的数字噪声。图 6 图中示出了采用新布线的 16 位 D/A 转换器的单个码转换结果，对数字电位器编程的数字信号没有造成数字噪声。为使此电路具有 16 位 D/A 转换器的性能，采用第三个数字电位器(U2a)跨接在两个运放(U4a 和 U4b)的输出端之间。U3a 和 U3b 的编程设定经数字电位器后的电压值。如果 VDD为 5V，可以将 U3a 和 U3b 的输出编程为相差 19.61mV。此电压大小经第三个 8 位数字电位器 R3，则自左至右整个电路的 LSB 大小为

23、 76.3mV。此电路获得最优性能所需的严格器件规格如表 1 所示。此电路有两种基本工作模式。第一种模式可用于获得可编程、可调节的直流差分电压。在此模式中，电路的数字部分只是偶尔使用，在正常工作时不使用。第二种模式是可以将此电路用作任意波形发生器。在此模式中，电路的数字部分是电路运行的必需部分。此模式中可能发生电容耦合的危险。图 2 所示电路的第一次布线如图 3 所示。此电路是在实验室中快速设计出的，没有注意细节。在检查布线时，发现将数字走线布在了高阻抗模拟线路的旁边。需要强调的是，第一次就应该正确布线，本文的目的是为了讲解如何识别问题及如何对布线做重大改进。看一下此布线中不同的走线，可以明显

24、看到哪里可能存在问题。图中的模拟走线从 U3a的抽头连接到 U4a 放大器的高阻抗输入端。图中的数字走线传送对数字电位器设置进行编程的数字码。在测试板上经过测量，发现数字走线中的数字信号耦合到了敏感的模拟走线中，参见图4。系统中对数字电位器编程的数字信号沿着走线逐渐传输到输出直流电压的模拟线路。此噪声通过电路的模拟部分一直传播到第三个数字电位器(U5a)。第三个数字电位器在两个输出状态之间翻转。解决这个问题的方法主要是分隔开走线，图 5 示出了改进的布线方案。改变布线的结果如图 6 所示。将模拟和数字走线仔细分开后，电路成为非常“干净”的 16位 D/A 转换器。图中的波形是第三个数字电位器的

25、单码转换结果 76.29mV。结语结语 数字和模拟范围确定后，谨慎布线对获得成功的 PCB 是至关重要的。尤其是有源数字走线靠近高阻抗模拟走线时，会引起严重的耦合噪声，这只能通过增加走线之间的距离来避免。开关电源开关电源 PCB 排版基本要点排版基本要点 为了适应电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，并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。由于开关电源产生的电磁干扰会影响到其电子产品的正常工作，正确的电源 PCB 排版就变得非常重要。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

26、 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。用自动排版方式排出的开关电源肯定无法正常工作。所以,设计人员需要对开关电源 PCB 排版基本规则和开关电源工作原理有一定的了解。1 开关电源 PCB 排版基本要点 1.1 电容高频滤波特性 图 1 是电容器基本结构和高频等效模型。图 1 电容器结构和寄生等效串联电阻和电感 电容的基本公式是 C=r0（1）式（1）显示，减小电容器极板之间的距离（d）和增加极板的截面积（A）将增加电容器的电容量。电容通常存在等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）二个寄生参数。图 2 是电容器在不同工作频率下的阻抗（ZC）。图 2 电容阻

27、抗（ZC）曲线 一个电容器的谐振频率（f0）可以从它自身电容量（C）和等效串联电感量（LESL）得到，即 f0=（2）当一个电容器工作频率在f0以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即 ZC=（3）当电容器工作频率在f0以上时，其阻抗会随频率的上升而增加，即 ZC=j2fLESL（4）当电容器工作频率接近f0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的电容量和很大的等效串联电感。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，

28、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。图 3是多个不同特性的电容器并联后阻抗改善的效果。图 3 多个电容器并联可改善阻抗特性 电源排版基本要点 1 旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电感应尽量小，多个电容器并联能改善电容的高频阻抗特性。图 4 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，其引线长度应尽量

29、减短；而Vin正极至RL和Vin负极至RL的走线应尽量靠近。（a）效果差的走线方式 （b）效果好的走线方式 图 4 滤波电路 PCB 走线方式 1.2 电感高频滤波特性 图 5 中的电流环路类似于一匝线圈的电感。高频交流电流所产生的电磁场B（t）将环绕在此环路的外部和内部。如果高频电流环路面积（AC）很大，就会在此环路的内外部产生很大的电磁干扰。图 5 电感结构和寄生等效并联电容和电阻 电感的基本公式是 L=（5）从式（5）可知，减小环路的面积（AC）和增加环路周长（lm）可减小L。电感通常存在等效并联电阻（EPR）和等效并联电容（CP）二个寄生参数。图 6 是电感在不同工作频率下的阻抗（ZL

30、）。图 6 电感阻抗（ZL）曲线 谐振频率（f0）可以从电感自身电感值(L)和它的等效并联电容值（CP）得到，即 f0=（6）当一个电感工作频率在f0以下时,电感阻抗随频率的上升而增加，即 ZL=j2fL（7）当电感工作频率在f0以上时，电感阻抗随频率的上升而减小，即 ZL=（8）当电感工作频率接近f0时，电感阻抗就等于它的等效并联电阻（REPR）。在开关电源中电感的CP应该控制得越小越好。同时必须注意到，同一电感量的电感会由于线圈结构不同而产生不同的CP值。图 7 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CP值。图 7（a）电感的 5 匝绕组是按顺序绕制。这种线圈结构的CP值是

31、1 匝线圈等效并联电容值（C）的1/5。图 7（b）电感的 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 1 和 5 非常靠近。这种线圈结构所产生的CP值是 1 匝线圈C值的两倍。（a）顺序绕 （b）交叉绕 图 7 不同线圈结构造成不同等效并联电容值 可以看到，相同电感量的两种电感的CP值居然相差达数倍。在高频滤波上如果一个电感的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。这样的电感也就失去了它的高频滤波功能。图 8 显示了在一个PCB上Vin通过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

32、RL和Vin负极至RL的走线应尽量靠近。（a）效果差的走线方式 （b）效果好的走线方式 图 8 滤波电路 PCB 走线方式 电源排版基本要点 2 电感的寄生并联电容应尽量小，电感引脚焊盘之间的距离越远越好。1.3 镜像面 电磁理论中的镜像面概念对设计者掌握开关电源的 PCB 排版会有很大的帮助。图 9 是镜像面的基本概念。图 9(a)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 9(b)显示当高频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，我们很容易看

33、到在图 10 中地层面上走线的问题。（a）直流 （b）交流 图 9 镜像面概念 假设图 10 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环路，该电路会产生很强的电磁波辐射而破坏周边电子器件的正常工作。图 10 地层面上走线造成接地层的破坏 电源排版基本要点 3 避免在地层上放置任何功率或信号走线。1.4 高频环路 开关电源中有许多由功率器件所组成的高频环路，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。

34、如图 11（a）所示，高频电流环路面积很大，就会在环路的内部和外部产生很强的电磁干扰。同样的高频电流,当环路面积设计得非常小时，如图 11（b）所示，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。（a）环路面积大 （b）环路面积小 图 11 高频环路 电源排版基本要点 4 高频环路的面积应尽可能减小。1.5 过孔和焊盘放置 许多设计人员喜欢在多层 PCB 上放置很多过孔（VIAS）。但是，必须避免在高频电流返回路径上放置过多过孔。否则，地层上高频电流走线会遭到破坏。如果必须在高频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电流顺利通过。图 12 显示了过孔放置方式。图 1

35、2 过孔放置方式 电源排版基本要点 5 过孔放置不应破坏高频电流在地层上的流经。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 13 显示了几种焊盘形状的串联电感值。图 13 焊盘寄生串联电感 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14 显示了旁路电容正确和错误的放置方式。（a）非常差 （b）一般 （c）好 （d）最好 图 14 旁路电容正确和错误的放置方式 1.6 电源直流输出 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

36、电源自身或周边电子器件所产生的电磁干扰，输出电源走线必须像图 15（b）那样靠得很近，使输出电流环路的面积尽可能减小。（a）较大的电流环路 （b）较小的电流环路 图 15 电源输出直流电流环路 1.7 地层在系统板上的分隔 新一代电子产品系统板上会同时有模拟电路、数字电路、开关电源电路。为了减小开关电源噪音对敏感的模拟和数字电路的影响，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 16 中那样在单层中分隔。无论是在多层 PCB 上进行地层分隔还是在单层 PCB 上进行地层分隔，不同电路的地层都应该通过单

37、点与开关电源的接地层相连接。图 16 电路接地层与电源接地层的单点连接 电源排版基本要点 6 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。2 开关电源 PCB 排版例子 图 17 是一个在消费类电子产品上应用的降压式开关电源原理图。设计人员应能在此线路图上区分出功率电路中元器件和控制信号电路中元器件。如果设计者将该电源中所有的元器件当作数字电路中的元器件来处理，则问题会相当严重。通常首先需要知道电源高频电流的路径，并区分小信号控制电路和功率电路元器件及其走线。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

38、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。图 17 一个典型降压式开关电源原理图（12V 输入，3.3V/15A 输出）电源控制电路（细线）、功率电路（粗线）2.1 电源功率电路 PCB 排版 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 18 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（S1）和下端场效应管（S2）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-S1-S2所形成的环路面积要尽量减小。同时由

39、S2，L和输出滤波电容（Cout）所组成的环路面积也要尽量减小。图 18 开关电源功率电路上的电流和电压 如果设计者未按本文所述的要点来制作功率电路 PCB，很可能制作出图 19 所示的电源 PCB。图 19 不正确的开关电源功率器件放置和走线 图 19 的PCB排版存在许多错误：第一，由于Cin有很大的ESL，Cin的高频滤波能力基本上消失；第二，Cin-S1-S2和S2-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干扰；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ESL太大而失去了高频滤波功能。图 20 是一个

40、比较好的电源功率电路PCB走线。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，S1、S2和L需要靠得非常近。虽然L和Cout之间的走线上没有高峰值的高频电流，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能。图 20 正确的开关电源功率器件放置和走线 2.2 电源控制电路 PCB 排版 电源控制电路 PCB 排版也是非常重

41、要的。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。电源排版基本要点 7 控制芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要尽量短。2.3 开关电源 PCB 排版例 1 图 21 是图 17PCB的元器件面走线图。此电源中采用了一个低价PWM控制器（Semtech型号SC1104A）。PCB下层是一个完整的接地层。此PCB功率地层与控制地层之间没有分隔。可以看到该电源的功率电路由输入插座（PCB左上端）通过输入滤波电

42、容器（C1，C2），S1，S2，L1，输出滤波电容器（C10，C11，C12，C13），一直到输出插座（PCB右下端）。SC1104A被放置在PCB的左下端。因为，在地层上功率电路电流不通过控制电路，所以，无必要将控制电路接地层与功率电路接地层进行分隔。如果输入插座是放置在PCB的左下端，那么在地层上功率电路电流会直接通过控制电路，这时就有必要将二者分隔。图 21 降压式开关电源 PCB 上层图（下层是接地层）2.4 开关电源 PCB 排版例 2 图 22 是另一种降压式开关电源，该电源能使 12V 输入电压转换成 3.3V 输出电压，输出电流可达3A。此电源上使用了一个集成电源控制器(Sem

43、tech 型号 SC4519)。这种控制器将一个功率管集成在电源控制器芯片中。这样的电源非常简单，尤其适合应用在便携式 DVD 机，ADSL，机顶盒等消费类电子产品。图 22 一种简单降压式开关电源（12V 输入，3.3V/3A 输出）同前面例子一样，对于这种简单开关电源，在 PCB 排版时也应注意以下几点。1）由输入滤波电容（C3），SC4519 的接地脚（GND），和D2所围成的环路面积一定要小。这意味着C3及D2必须非常靠近SC4519。2）可采用分隔的功率电路接地层和控制电路接地层。连接到功率地层的元器件包括输入插座（VIN），输出插座（VOUT），输入滤波电容（C3），输出滤波电容（

44、C2），D2，SC4519。连接到控制地层的元器件包括输出分压电阻（R1，R2），反馈补偿电路（R3，C4，C5），使能插座（EN），同步插座（SYNC）。3）在SC4519接地脚的附近加一个过孔将功率电路接地层与控制信号电路接地层单点式的相连接。图 23 是该电源PCB上层排版图。为了方便读者理解，功率接地层和控制信号接地层分别用不同颜色来表示。在这里输入插座被放置在PCB的上方，而输出插座被放置在PCB的下方。滤波电感（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路（R3，C4，C5）则被放在PCB右边并靠近控制信号接地层。D2非常靠近SC4519 的脚 3 及脚

45、4。图 24 是该电源PCB下层排版图。输入滤波电容（C3）被放置在PCB下层并非常靠近SC4519 和功率接地层。图 23 电源PCB上层走线（除C3外所有元器件都放置在此面）图 24 电源PCB下层走线（只有C3放置在此面）2.5 开关电源 PCB 排版例 3 最后讨论一种多路输出开关电源 PCB 排版要点。此电源有 3 组输入电压（12V，5V 和 3.3V），4组输出电压（3.3V，2.6V，1.8V，1.2V）。该电源使用了一集成多路开关控制器（Semtech 型号 SC2453）。SC2453 提供了 4.5V30V 的宽输入电压范围，两个高达 700kHz 开关频率和高达 15A

46、 输出电流，以及低至 0.5V 输出电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。TSSOP28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流纹波。图 25 是这种多路开关电源的原理图。其中 3.3V 输出由 5V 输入产生，1.2V 输出由 12V输入产生，2.6V 和 1.8V 输出由 3.3V 输入产生。由于该电源上所有元器件都必须被放置在一个面积较小的 PCB 上，为此必须将电源的功率地层和控制信号地层分隔开来。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信号地层的元器件区分开来,然后将控制

47、信号元器件放在信号地层上并靠近 SC2453。控制信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 详细描述了该电源排版方式。图 25 一种四路输出开关电源 （12V，5V，3.3V 输入；1.2V，1.8V，2.5V，3.3V 输出）（a）PCB 下层控制器件靠近信号地 （b）功率地与控制的分隔 图 26 四路输出开关电源 PCB 图 电源排版基本要点 8 开关电源功率电路和控制信号电路上的元器件需要连接不同的接地层，这二个地层一般都是通过单点相连接。3 结语 开关电源 PCB 排版的 8 个要点：1）旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电感应尽量小，多个电容并联能改善电容的阻抗特性；2）电感的寄生并联电容应尽量小，电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信号走线；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流在地层上的路径；6）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；7）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；8）开关电源功率电路和控制信号电路元器件需要连接到不同的接地层，这二个地层一般都是通过单点相连接。