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开关电源PCB排版是开发电源产品中的一个重要过程。许多情况下，一个在纸上设计得非常完美的电源可能在初次调试时无法正常工作，原因是该电源的PCB排版存在着许多问题。本文详细讨论了开关电源PCB排版的基本要点，并描述了一些实用的PCB排版例子。
开关电源PCB排版基本要点
一、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 电容阻抗（Zc）曲线
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，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。
二、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R（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
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。
三、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 镜像面概念
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（h）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。 理解了镜像面概念，我们很容易看到在图10中地层面上走线的问题。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。
一、 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）]
二、电源控制电路PCB排版
电源控制电路PCB排版也是非常重要的。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。
图20 正确的开关电源功率器件放置和走线
三、开关电源PCB排版例1
图21是图17 PCB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SCIIO4A）。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）。SCll04A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 降压式开光电源PCB上层图（下层是接地层）
四、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（Semtech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。
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（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，C3，），使能插座（EN），同步插座（SYNC）。
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）系统板上一小同电路需要不同接地层，小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小同的接地层，这二个地层一般都是通过单点相连接。
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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 电容阻抗（Zc）曲线
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，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。
二、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R（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
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。
三、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 镜像面概念
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（h）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。 理解了镜像面概念，我们很容易看到在图10中地层面上走线的问题。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。
一、 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）]
二、电源控制电路PCB排版
电源控制电路PCB排版也是非常重要的。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。
图20 正确的开关电源功率器件放置和走线
三、开关电源PCB排版例1
图21是图17 PCB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SCIIO4A）。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）。SCll04A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 降压式开光电源PCB上层图（下层是接地层）
四、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（Semtech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。
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（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，C3，），使能插座（EN），同步插座（SYNC）。
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）系统板上一小同电路需要不同接地层，小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小同的接地层，这二个地层一般都是通过单点相连接。
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