llc谐振电感电压（llc谐振电流）〔llc谐振电感设计〕

　　择要 ：开关电源PCB排版是开辟 电源产物 中的一个紧张 过程 。很多 环境 下 ，一个在纸上计划 得非常美满 的电源大概 在初次调试时无法正常工作，缘故起因 是该电源的PCB排版存在着很多 题目 ．具体 讨论了开关电源PCB排版的根本 要点，并形貌 了一些实用的PCB排版例子。

　　0 弁言

　　为了顺应 电子产物 飞快的更新换代节奏，产物 计划 工程师更倾向于选择在市场上很轻易 采购到的AC／DC适配器 ，并把多组直流电源直接安装在体系 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物 的正常工作，精确 的电源PCB排版就变得非常紧张 。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，很多 数字芯片可以通过PCB软件来主动 分列 ，且芯片之间的毗连 线可以通过PCB软件来主动 毗连 。用主动 排版方式倾轧 的开关电源肯定无法正常工作。以是 ，没计职员 必要 对开关电源PCB排版根本 规则和开关电源工作原理有肯定 的相识 。

　　1 开关电源PCB排版根本 要点

　　l.1 电容高频滤波特性

　　图1是电容器根本 布局 和高频等效模子 。

　　电容的根本 公式是

　　式（1）表现 ，减小电容器极板之间的间隔 （d）和增长 极板的截面积（A）将增长 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是电容器在差别 工作频率下的阻抗（Zc）。

　　一个电容器的谐振频率（fo）可以从它自身电容量（C）和等效串联电感量（LESL）得到 ，即

　　当一个电容器工作频率在fo以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即

　　当电容器工作频率在fo以上时 ，其阻抗会随频率的上升而增长 ，即

　　当电容器工作频率靠近 fo时，电容阻抗就便是 它的等效串联电阻（RESR）。

　　电解电容器一样平常 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 ，以是 只能利用 在低频滤波上。钽电容器一样平常 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，并能利用 在中高频滤波上。瓷片电容器电容量和等效串联电感一样平常 都很小，因而它的谐振频率远高于电解电容器和钽电容器 ，以是 能利用 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 ，多个差别 特性的电容器可以并联起来利用 。图3是多个差别 特性的电容器并联后阻抗改善的结果 。

　　电源排版根本 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只管 小，多个电容器并联能改善电容的高频阻抗特性 。

　　图4表现 了在一个PCB上输入电源（Vin）至负载（RL）的差别 走线方式。为了低落 滤波电容器（C）的ESL ，其引线长度应只管 减短；而Vin。正极至RL和Vin负极至R1的走线应只管 靠近 。

　　1．2 电感高频滤波特性

　　图5中的电流环路雷同 于一匝线圈的电感。高频交换 电流所产生的电磁场R（t）将围绕 在此环路的外部和内部。假如 高频电流环路面积（Ac）很大，就会在此环路的表里 部产生很大的电磁干扰 。

　　电感的根本 公式是

　　从式（5）可知，减小环路的面积（Ac）和增长 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是电感在差别 工作频率下的阻抗（ZL） 。

　　谐振频率（fo）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

　　当一个电感工作频率在fo以下时，电感阻抗随频率的上升而增长 ，即

　　当电感工作频率在fo以上时 ，电感阻抗随频率的上升而减小，即

　　当电感工作频率靠近 fo时，电感阻抗就便是 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。同时必须留意 到，同一电感量的电感会由于线圈布局 差别 而产生差别 的Cp值 。图7就表现 了同一电感量的电感在二种差别 的线圈布局 下差别 的Cp值。图7（a）电感的5匝绕组是按次序 绕制。这种线圈布局 的Cp值是l匝线圈等效并联电容值（C）的1／5。图7（b）电感的5匝绕组是按交错 次序 绕制 。此中 绕组4和5放置在绕组1 、2、3之间 ，而绕组l和5非常靠近。这种线圈布局 所产牛的Cp是1匝线圈C值的两倍。

　　可以看到，雷同 电感量的两种电感的Cp值居然相差达数倍 。在高频滤波上假如 一个电感的Cp值太大，高频噪音就会很轻易 地通过Cp直接耦合到负载上。如许 的电感也就失去了它的高频滤波功能。

　　图8表现 了在一个PCB上Vin通过L至负载（RL）的差别 走线方式 。为了低落 电感的Cp ，电感的二个引脚应只管 阔别 。而Vin正极至RL和Vin负极至RL的走线应只管 靠近。

　　电源排版根本 要点2 电感的寄生并联电容应只管 小，电感引脚焊盘之间的间隔 越远越好 。

　　1.3 镜像面

　　电磁理论中的镜像面概念对计划 者把握 开关电源的PCB排版会有很大的资助 。图9是镜像面的根本 概念。

　　图9（a）是当直流电流在一个接地层上方流过期 的景象 。此时在地层上的返回直流电流非常匀称 地分布在整个地层面上。图9（h）表现 当高频电流在同一个地层上方流过期 的景象 。此时在地层上的返回交换 电流只能流在地层面的中心 而地层面的两边 则完全没有电流。 一日．明白 了镜像面概念，我们很轻易 看到在图10中地层面上走线的题目 。接地层（Ground Plane） ，没汁职员 应该只管 克制 在地层上放置任何功率或信号走线。一旦地层上的走线粉碎 了整个高频环路，该电路会产牛很强的电磁波辐射而粉碎 周边电子器件的正常工作。

　　电源排版根本 要点3 克制 在地层上放置任何功率或信号走线 。

　　1．4 高频环路

　　开关电源中有很多 由功率器件所构成 的高频环路，假如 对这△环路处婵得不好 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。如图l1（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于扰 。同样的高频电流，当环路面积计划 得非常小时，如图11（b）所示，环路内部和外部电磁场相互 抵消 ，整个电路会变得非常安静。

　　电源排版根本 要点4 高频环路的面积应尽大概 减小。

　　1.5 过孔和焊盘放置

　　很多 计划 职员 喜好 在多层PCB卜放置很多 过孔（VIAS） 。但是，必须克制 在高频电流返同路径上放置过多过。否则，地层上高频电流走线会遭到粉碎 。假如 必须在高频电流路径上放置一些过孔的活 ，过孔之间可以留出一空间让高频电流顺遂 通过，图12表现 了过孔放置方式 。

　　电源排版根本 要点5 过孔放置不应粉碎 高频电流在地层上的流经。

　　计划 者同时应留意 差别 焊盘的外形 会产生差别 的串联电感。图13表现 了几种焊盘外形 的串联电感值。

　　旁路电容（Decouple）的放置也要思量 到它的串联电感值 。旁路电容必须是低阻抗和低ESL乩的瓷片电容。但假如 一个高品格 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散 了。图14表现 了旁路电容精确 和错误的放置方式 。

　　1．6 电源直流输出

　　很多 开关电源的负载阔别 电源的输出端口。为了克制 输出走线受电源自身或周边电子器件所产生的电磁下扰 ，输出电源走线必须像图l5（b）那样靠得很近，使输出电流环路的面积尽大概 减小。

　　l.7 地层在体系 板上的分隔

　　新一代电子产物 体系 板七会同时有模仿 电路、数字电路、开关电源电路 。为了减小丌关电源噪音对敏感的模仿 和数字电路的影响，通常必要 分隔差别 电路的接地层。假如 选用多层PCB ，差别 电路的接地层可由差别 PCB板层来分隔。假如 整个产物 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上举行 地层分隔还是 在单层PCB 上举行 地层分隔，差别 电路的地层都应该通过单点与开关电源的接地层相毗连 。

　　电源排版根本 要点6 体系 板七差别 电路必要 差别 接地层 ，差别 电路的接地层通过单点与电源接地层相毗连 。

　　2 开关电源PCB排版例子

　　压式开关电源原理图 。设汁职员 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。假如 计划 者将该电源中全部 的元器件当作 数字电路中的元器件来处理 惩罚 ，则题目 会相称 严峻 。通常起首 必要 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。一样平常 来讲，电源的功率电路重要 包罗 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 。控制电路重要 包罗 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。

　　2.l 电源功率电路PCB排版

　　电源功率器件在PCB上精确 的放置和走线将决定整个电源工作是否正常。计划 职员 起首 要对开关电源功率器件上的电压和电流的波形有一肯定 的相识 。

　　图18表现 一个降压式开关电源功率电路元器件卜的电流和电压波形。由于从输入滤波电容（Cin） ，上端场效应管（S1）和F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换 电流，以是 由Cin-S1-S2所形成的环路面积要只管 减小。同时由S2，L和输出滤波电容（Cout）所构成 的环路面积也要只管 减小 。

　　假如 设汁者未按本丈所述的要点来制作功率电路PCB ，很大概 制作出网19所示的电源PCB，图19的PCB排版存在很多 错误：第一，由于Cin有很大的ESL ，Cin的高频滤波本领 根本 上消散 ；第二，Cin-S1-S2和S1-LCout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于扰；第三 ，L的焊盘靠得太近，造成Cp太大而低落 了它的高频滤波功能；第四，Cout焊盘引线太长 ，造成FSL太大而失去了高频滤波线。 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之问的毗连 点是一整块铜片焊盘 。由于该毗连 点上的电压是高频，S1、S2和L必要 靠得非常近。固然 L和Cout之间的走线上没有高峰值的高频电流，但比力 宽的走线可以低落 直流阻抗的斲丧 使电源的服从 得到进步 。假如 本钱 上答应 ，电源可用一面美满 是 接地层的双面PCB，但必须留意 在地层卜只管 克制 走功率和信号线 。在电源的输入和输出端口还各增长 了一个瓷片电容器来改善电源的高频滤波性能。

　　2.2 电源控制电路PCB排版

　　电源控制电路PCB排版也黑白 常紧张 的。不公道 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换 环路的中心 。旁路电容要只管 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只管 减短 。

　　电源排版根本 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只管 短。

　　2.3开关电源PCB排版例1

　　图21是图17 PCB的元器件面走线图。此电源中采取 了一个低价PWM控制器（Semtech型号SCIIO4A） 。PCB下层是一个完备 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） ，不停 到输出插座（PCB右下端） 。SCll04A被放置在PCB的左下端。由于 ，在地层上功率电路电流不通过控制电路，以是 ，无须要 将控制电路接地层与功率电路接地层举行 分隔。假如 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，这时就有须要 将二者分隔 。

　　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。此电源上利用 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。如许 的电源非常简单 ，尤其得当 应用在便携式DVD机，ADSL ，机顶盒等斲丧 类电子产物 。

　　同前面例子一样，对于这种简单 开关电源，在PCB排版时也应留意 以下几点。

　　1）由输入滤波电容（C3） ，SC4519的接地脚（GND），和D2所围成的环路面积肯定 要小。这意味着C3及D2必须非常靠近SC4519 。

　　2）可采取 分隔的功率电路接地层和控制电路接地层。毗连 到功率地层的元器件包罗 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。毗连 到控制地层的元器件包罗 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） 。

　　3）在SC4519接地脚的附近加 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毗连 。

　　图23是该电源PCB上层排版图。为了力便读者明白 ，功率接地层和控制信号接地层分别用差别 颜色来表现 。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）则被放存PCB右边并靠近控制信号接地层。D2非常靠近SC4519的脚3及脚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。

　　2.5开关电源PCB排版例3

　　末了 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）。该电源利用 了，一集成多路开关控制器（Serotech型号SC2453） 。SC2453提供了4.5V～30V的宽输入电压范围，两个高达700kHz开关频率和高达15A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治 器和一个专用可调配负压线性调治 器。TSSOP-28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。此中 3.3V输出由5V输人产生，l.2V输出由12V输入产生，2.6V和1.8V输出由3.3V输入产生 。由于该电源上全部 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，起首 将图25中毗连 到功率地层的元器件和毗连 到控制信号地层的元器件区分开来，然后将控制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毗连 。这毗连 点通常会选择在控制芯片的接地脚（SC2453中的脚21） 。图26具体 形貌 了该电源排版方式。

　　电源排版根本 要点8 开关电源功率电路和控制信号电路下的元器件必要 毗连 差别 的接地层 ，这二个地层一样平常 都是通过单点相毗连 。

　　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只管 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只管 小 ，电感引脚焊盘之间的间隔 越远越好；

　　3）克制 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大概 减小；

　　5）过孔放置小应粉碎 高频电流在地层上的路径；

　　6）体系 板上一小同电路必要 差别 接地层，小同电路的接地层通过单点与电源接地层相毗连 ；

　　7）控制芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要只管 短；

　　8）开关电源功率电路和控制信号电路元器件必要 毗连 到小同的接地层，这二个地层一样平常 都是通过单点相毗连 。

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