开关电源PCB布局技巧：降压电源的电容与电感设计

该资源主要讨论了开关电源中降压式电源（BUCK电源）的PCB布局设计，特别是关于输出电容、电感、过孔（VIA）的处理以及高频电流环路的设计原则。内容包括电容的 ESL、ESR 和谐振频率的理解，电感模型的介绍，以及在实际PCB设计中应遵循的六点关键指导原则。 在开关电源设计中，PCB布局至关重要，因为它直接影响电源的效率、稳定性以及电磁兼容性。以下是详细的知识点解释： 1. **电容模型与特性**： - **ESL（等效串联电感）**：是电容内部存在的电感，影响电容在高频下的表现，随着频率增加，ESL的影响增大。 - **ESR（等效串联电阻）**：是电容内部的电阻，影响电容的损耗。较低的ESR有利于电源的稳定。 - **谐振频率f0**：当电容工作在谐振频率时，ESL和ESR的影响达到平衡，电容呈现纯电阻特性。 2. **电容选择与并联**： - **陶瓷电容**：具有低 ESL 和小封装，适合高频旁路应用。 - **钽电容**：具有较高的电容量和较低的ESR，适用于滤波。 - **电解电容**：用于大容量储能，但 ESL 较高，不适用于高频应用。 - **电容并联**：可以降低整体ESR，减小 ESL 影响，优化高频响应。 3. **电感模型与设计要点**： - **电感的寄生电容**：应尽可能减小，以保持高频性能。 - **电感的布局**：引脚间距应增大，减少寄生电容和串扰。 4. **高频电流环路设计**： - **面积最小化**：减小高频交流电流环路面积有助于降低辐射干扰。 - **镜像面概念**：避免在地层上布置功率或信号线，保持地平面连续。 5. **过孔（VIA）设计**： - **过孔影响**：过孔会产生额外电感，不应随意布置，以免破坏地平面的电流路径。 - **过孔估算**：提供了一种计算 PCB Trace 和 Via 电感的简单方法。 6. **PCB板层分割**： - **模拟和数字地层分离**：防止噪声相互影响，确保电源和信号的纯净。 - **信号层与地层匹配**：每个信号层应有对应的地层，形成良好的屏蔽效果。 7. **降压式电源排版实例**： - 文档提供了不理想的电源PCB布局示例，分析了其中的问题，如电流和电压波形，强调了减小寄生电感和电容的重要性。 优化PCB布局旨在减少寄生效应，提高电源性能，并降低电磁干扰。在设计过程中，应遵循上述指导原则，确保开关电源的高效、稳定运行。