開關(guān)電源PCBlayout與電容電感設(shè)計(jì)

1、1MPS Shanghai OfficeJuly 2006Power Supply PCB Layout/Output Capacitor Design2Part I. PCB Layout GuidelinesTen Simple Rules3電容模型電容模型ESL0LC21f當(dāng)電容器工作頻率在 f0 以下時(shí): fC2j1ZC當(dāng)電容器工作頻率在 f0 以上時(shí): ESLCLf2jZ當(dāng)電容器工作頻率接近 f0 時(shí): ESRCRZ諧振頻率: 4電容參數(shù)電容參數(shù)電容ESRESL10uF/10V 瓷片4 m1.25nH100uF/10V 鉭46 m3nH470uF/10V 電解 100 m15nH5電

2、容并聯(lián)高頻特性電容并聯(lián)高頻特性電源步板基本要點(diǎn)之一電源步板基本要點(diǎn)之一：旁路瓷片電容的電容量不易太大, 而它的寄生串聯(lián)電感量應(yīng)該盡量減小。多個電容并聯(lián)能改善單個電容的阻抗特性。最小容量的瓷片電容應(yīng)最靠近負(fù)載。6電感模型電感模型L: 電感值電感值EPR: 等效并聯(lián)電阻等效并聯(lián)電阻Cp: 等效并聯(lián)電感等效并聯(lián)電感Ac: 電流環(huán)路截面結(jié)電流環(huán)路截面結(jié)Lm: 電流環(huán)路周長電流環(huán)路周長7電感特性電感特性8電感特性電感特性電源步板基本要點(diǎn)之二電源步板基本要點(diǎn)之二：電感的寄生串聯(lián)電容量應(yīng)該盡量減小。電感引腳之間的距離越遠(yuǎn)越好。9鏡象面概念鏡象面概念電源步板基本要點(diǎn)之三電源步板基本要點(diǎn)之三：避免在地層上放置任

3、何功率或信號走線。10高頻交流電流環(huán)路高頻交流電流環(huán)路電源步版基本要點(diǎn)之四電源步版基本要點(diǎn)之四：高頻交流環(huán)路的面積應(yīng)該盡量減小。11過孔過孔 (VIA) 的例子的例子電源步版基本要點(diǎn)之五：電源步版基本要點(diǎn)之五：過孔放置不應(yīng)破壞高頻交流電流在地層上路徑。 12PCB板層分割板層分割電源步版基本要點(diǎn)之六：電源步版基本要點(diǎn)之六：摸擬電源層與數(shù)字地層不應(yīng)有重疊。信號層應(yīng)有相應(yīng)的地層。13降壓降壓式式(BUCK)電源：功率部分電流和電壓波形電源：功率部分電流和電壓波形14降壓式電源排版差的例子降壓式電源排版差的例子15電路等效圖電路等效圖MinimizeTheseInductances16PCB Tra

4、ce - Via 電感估算電感估算PCB Trace 長 1 inch (2.54cm), PCB 層厚 0.1mmPCB Trace 約為20nH/inchVia 高 1.6mm Via 直經(jīng) 0.5 mmVia 約為 0.6 nH/Via電源步版基本要點(diǎn)之七：電源步版基本要點(diǎn)之七：要減小 PCB 走線的電感，減小 PCB 走線長度要減小過孔的電感，放置多個過孔17PCB Trace - Via 電感估算電感估算電源步版基本要點(diǎn)之八：電源步版基本要點(diǎn)之八：SW 焊盤面積要盡量小。SW焊盤下不要走信號線。SW焊盤與信號線之間需電源層或地層隔離。18焊盤焊盤(PAD)(PAD)和和旁路電容旁路電

5、容的放置的放置焊盤焊盤旁路電容旁路電容19降壓式電源排版的例子降壓式電源排版的例子電源排版基本要點(diǎn)之九：電源排版基本要點(diǎn)之九：功率器件所組成的電流環(huán)路面積要小。20降壓式電源排版的例子降壓式電源排版的例子電源排版基本要點(diǎn)之十：電源排版基本要點(diǎn)之十：功率器件接功率地信號器件接信號地功率地與信號地單點(diǎn)連接 （一根很短導(dǎo)線或一個或多個過孔）21Part II. Output Capacitor DesignRipple Voltage Analysis22高頻高頻輸出瓷片電輸出瓷片電容容特性特性-Y5V 電容值隨工作電壓而變化大-Y5V ESR值隨工作電壓而變化大-Y5V 電容值隨溫度而變化大23高

6、頻高頻輸出瓷片電輸出瓷片電容容特性特性10uF/10V Y5V 與 1uF/10V X7R性能相差不大24輸出濾波電容電路分析輸出濾波電容電路分析四顆1500F，80m 電解電容并聯(lián)后電容值是6000 F，ESR 是 20 m電感紋波電流 (IL) 為 4.2A，輸出紋波電壓 84 mV (80 x 4.2 / 4)能不能并聯(lián)一個或多個瓷片電容來減小輸出電壓紋波值？OUTESRESRIRV25A4 . 12 . 4102010I2R1R2RIL1A8 . 22 . 4102020I2R1R1RIL2mV28010. 08 . 2RIV22OUT運(yùn)用直流電路分析方式：PSPICE AC模擬 (圖

7、A) 瞬態(tài)模擬 (圖 B) 不能將輸出電容的阻抗簡單地不能將輸出電容的阻抗簡單地轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成 ESR 來進(jìn)行電路分析來進(jìn)行電路分析 輸出濾波電容電路分析輸出濾波電容電路分析26輸出濾波電容電路分析輸出濾波電容電路分析C1和 C2 的阻抗為：221C1fC211RZ222C2fC212RZ并聯(lián)后的 CEQ 和 REQ 為:2EQEQ2C1C2C1CEQfC21RZZZZZ 2C1C2C1Cf22C2R1C1R2C1C2C1Cf22R1RC22222222EQ 2222222222EQ2C1C2C1Cf22R1R2C2R1C1R2C1Cf22R1R2R1RR27輸出濾波電容電路分析輸出濾波電容電路

8、分析當(dāng) C1 = C2 和 R1 = R2，CEQ 和 REQ 才與頻率無關(guān)。此時(shí)：2C21C2CEQ22R21RREQ如有 n 顆同一電容并聯(lián), 并聯(lián)后的 CEQ 和 REQ 為:nCCEQnRRESREQ m201061034102. 0Z2325221C m5301011034101. 0Z2625222CA05. 4A2 . 453020530IZZZIL2C1C2C1CmV81m20A05. 4ZIV1C1COUT重新分析由四顆 1500F 電解電容 (C1) 和一顆 1F瓷片電容 (C2) 所組成的輸出濾波電路:28輸出濾波電容電路分析輸出濾波電容電路分析計(jì)算和模擬結(jié)果fS 300

9、KHz1顆顆 1F1顆顆 10F2顆顆 10F3顆顆 10FZC1 20 m20 m20 m20 mZC2530 m53 m27 m18 m IC14.05 A3.05 A2.41 A2.00 A IC20.15 A1.15 A1.79 A2.20 A VOUT 81 mV61 mV48 mV40 mV VOUT (PSPICE 模擬)83 mV63 mV50 mV42 mV當(dāng)輸出瓷片電容由一顆增加到三顆，輸出紋波電壓值 (VOUT) 被穩(wěn)定地控制在 50 mV 以下。通過公式計(jì)算出來的VOUT 為 40 mV，而通過 PSPICE 模擬計(jì)算出來的VOUT 是 42 mV。 29輸出濾波電容電

10、路分析輸出濾波電容電路分析(A) 四顆 1500 F 電解和一顆 10F 瓷片并聯(lián)(B) 四顆 1500 F 電解和二顆 10F 瓷片并聯(lián)(C) 四顆1500 F 電解和三顆10F 瓷片并聯(lián)PSPICE 模擬電路圖 30Part III. Inductor Capacitance Effect on VDSL 31xDSL 傳播速度圖傳播速度圖ADSL/ADSL2 可選用開關(guān)頻率大于可選用開關(guān)頻率大于 1.1MHz 的電源穩(wěn)壓器的電源穩(wěn)壓器ADSL2可選用開關(guān)頻率大于可選用開關(guān)頻率大于 2.2MHz 的電源穩(wěn)壓器的電源穩(wěn)壓器VDSL 必須減小必須減小 20MHz 以下輸出電壓噪音以下輸出電壓噪

11、音32電感寄生電容影響電感寄生電容影響在理想狀態(tài)下電感（在理想狀態(tài)下電感（L和電容（和電容（COUT將將 VD 諧波全濾掉諧波全濾掉VOUT 只剩下直流和極小的一次諧波只剩下直流和極小的一次諧波 33電感寄生電容影響電感寄生電容影響在理想狀態(tài)下電感（在理想狀態(tài)下電感（L和電容（和電容（COUT將將 VD 諧波全濾掉諧波全濾掉VOUT 只剩下直流和極小的一次諧波只剩下直流和極小的一次諧波 (fs = 600KHz) Resr120mResr24mRL3.30C210uFV2V1L10uHC1100uFL110nH0AL21nH0AVphaseTD = 100usTF = 10nsPW = 0.4

12、5usPER = 1.67usV1 = 0TR = 10nsV2 = 1234電感寄生電容影響電感寄生電容影響具有寄生電容的電感（具有寄生電容的電感（L和電容（和電容（COUT無法將無法將 VD 諧波全濾掉諧波全濾掉V2Resr24m0L110nH0AVphaseTD = 100usTF = 10nsPW = 0.45usPER = 1.67usV1 = 0TR = 10nsV2 = 12Resr120mRL3.3C210uFL10uHC1100uFV1C3470pFL21nH0A35電感寄生電容影響電感寄生電容影響總結(jié)總結(jié)：VDSL 需要二次濾波器來消除由電感寄生電容在需要二次濾波器來消除由電感寄生電容在 20MHz 內(nèi)所產(chǎn)生的噪音內(nèi)