高频开关电源的印制板设计优化研究

许康恒 顾国帅 王正之

摘要：本文针对开关电源的高频开关频率引起电磁干扰问题进行PCB排版的研究，特别是特殊元器件、高频环路、焊盘等方面根据理论研究提出优化设计，解决各个方面的电磁干扰问题，减小电源的电磁干扰。

关键词：开关电源；PCB布局；电磁干扰

中图分类号：TM43 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0151-02

1 引言

开关电源的工作频率一般都在几百千赫兹以上，对周围产生严重的电磁干扰，影响同一系统中其他产品的正常使用，因此在开关电源的印制板设计时需充分各个方面的影响，不能使用PCB设计软件的自动布线和自动布局功能，否则利用自动布局布线功能设计的PCB会使开关电源产生严重电磁干扰影响功效。本文针对开关电源印制板基本排版规则和元器件布局进行优化设计。

2 PCB优化研究

2.1 功率器件和磁性器件的优化设计

开关电源内部存在大量功率器件，MOS管、高频变压器、二极管等在高频工作模式下会产生强热能和强磁场改变周边电磁和热环境，因此散热是开关电源印制板布局时首先考虑的问题，如果是风冷散热，应把MOS管、大电流整流管等功率器件安装散热片并将其放在印制板风流量大的位置。

电感器、变压器等磁性器件工作时有强磁场产生，容易发生磁耦合，元器件布局时应使两两之间正交放置减小磁耦合，在其周围不宜紧密放置其他元器件。最好将它们进行屏蔽处理或者隔离开，特别是要与高频变压器做好隔离处理。

为了保证开关电源反馈回路和传递回路的信号的完整性，在器件布局时应将模拟电路/数字电路分开，保证两个电路有个完整的地，且相互隔离。

2.2 电容的优化设计

图1是电容工作在千赫兹频率时的等效模型。

如图1所示电容等效模型，其性能可用寄生参数ESR（即等效串联电阻）、ESL（等效串联电感）来表示，开关电源电路中常用的钽电容和瓷介电容在不同关频率下的参数变化如图2所示。

钽电解电容具有容值大等效的串聯电感小的特点，所以谐振频率比普通的电解电容高，可在中高频的滤波电路中应用。相反瓷介电容容量小而等效的串联电感小，所以谐振频率比电解电容要高，可在更高频的滤波电路和旁路电路应用。

为了保证高频工作状态下电容的使用，多种类型的电容并联使用会改善电容的等效串联阻抗，如图3所示，多种电容并联可有效改善高频状态下的电容阻抗。

2.3 电感的优化设计

开关电源中存在电流的环路，此种环路在有电流流过时相当于线圈匝数一的电感，如图4所示，高频工作状态下，环路会产生强磁场。磁场强度即B（t）与环路面积即Ac成正比关系，Ac越大，B（t）越大。

图4为电感在电路中的等效模型，可用EPR（等效并联电阻）、CP（等效并联电容）两个参数来表示。图5为电感的各种工作频率状态下的阻抗特性。

高频率滤波电路中电感的Cp会变大，高频噪声干扰会轻易通过电感CP值耦合到负载中，会导致电感失去高频的滤波功效，因此在开关电源中电感的CP应该控制得越小越好。

2.4 过孔和焊盘放置

多层印制板设计中放置的过孔会破坏高频电流的走线，因此在高频电流的回路中不能放太多的过孔。在不可避免的状态下也应留出足够的空间在过孔之间保证高频电流的流通。图6为各种过孔的摆放方式。首先应保证高频电流的走线完整性，因此最右侧过孔的摆放方式最合理。

在应用中，旁路电容起到芯片供电电源的高频滤波作用，一般旁路电路会用低ESL、ESR的电容。图7是实际测量得到的旁路电容放置方式的性能比较，图7（d）效果最好。

3 应用电路测试

根据以上考虑和实际设计需求，对输入电压220V，三路输出电压（三路电压分别为3.3V、8V、24V），输出功率30W，效率80%的单端反激式三路稳压型开关电源进行PCB布局布线，电路原理图如图8所示，最后布局效果图如图9所示，样机体积大小为130mm×70mm×30mm。经过测试，本设计PCB符合设计规范。

4 结语

如何抑制电磁干扰问题是开关电源设计中着重考虑的问题，优化PCB可以有效的减小电磁干扰，在设计优化措施还有很多，比如镜面层的考虑，多层板的布置等等。在开关电源的设计中时应考虑各种因素，多方面考虑抑制高频开关电源的电磁干扰，提高开关电源电磁的兼容能力，使开关电源得到更广泛应用。

参考文献

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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