开关电源的输入电容的PCB设计技巧

百科   2024-11-27 23:51   浙江  

在设计开关电源电路的PCB时,输入电容的布局和布线至关重要,它直接影响电路的性能、效率和EMI表现。以下是输入电容的PCB设计技巧:


1. 尽量靠近功率开关和输入端

  • 理由:输入电容的主要作用是为开关管提供瞬态电流,减少电压波动。将输入电容靠近功率开关(MOSFET或IC)和输入引脚,可以最大程度降低寄生电感引起的电压尖峰。

  • 做法:将输入电容紧贴Buck控制器或功率开关的VIN和GND引脚。

    如下图中,case1是中规中矩靠近芯片防止,检测到其辐射的噪声是图中红色的曲线;

    case2是故意将电容立起来,可以看到是噪声最大,蓝色的曲线;

    case3是将输入电容跨接在VIN和GND之间,走线距离实现最短,是图中绿色曲线,噪声最小。

2. 优先使用低ESR和低ESL电容

  • 理由:输入电容需要快速响应高频电流,低ESR(等效串联电阻)和低ESL(等效串联电感)电容可以更高效地滤除高频噪声。

  • 做法:组合使用陶瓷电容(滤除高频噪声)和电解电容或钽电容(提供大容量)。



      实际电容器



3. 减小电流回路面积

  • 理由:Buck电路输入端的高频电流在输入电容和功率开关之间流动,回路面积越大,辐射EMI和寄生电感越高。

  • 做法:确保输入电容的接地端(GND)与功率开关的接地端之间的路径最短。尽量将VIN和GND之间的回路做成小环。



4. 优化地平面连接

  • 理由:输入电容的接地端需要直接连接到功率开关或IC的接地端,如果连接路径长或者有电流分流,会导致地电位不稳定。

  • 做法

    • 在电容接地端下方铺设完整的地平面。

    • 使用多个过孔将电容的GND焊盘连接到地平面。



5. 多颗电容并联优化布局

  • 理由:单颗大容量电容可能无法提供足够低的ESR和ESL,多颗小容量电容并联可以分担高频电流并降低寄生参数。

  • 做法

    • 并联多颗陶瓷电容,通常选择 10µF、1µF 和 0.1µF 的组合。

    • 将不同容量的电容按频率需求排布:高频需求的电容更靠近开关。


      实际的电容存在寄生电感与等效串联电阻。由于单个电容的ESR、ESL相近,他们的阻抗特性也是相近的,单个电容与多个特性相同的电容并联阻抗特性图

      容值不同的电容

      所以在这个场景中,我们需要一种:

      1、1nF~10uF容量,精度要求不高;

      2、由于用量比较大(电源管脚比较多),成本比较低、相同容量情况下体积比较小的电容;

      3、ESR、ESL比较小的电容。(需要去耦的信号频率比较高,并保证去耦效果)



6. 避免使用长走线连接输入电容

  • 理由:长走线增加寄生电感,导致输入端电压波动加剧,并可能产生尖峰电压。

  • 做法:输入电容与控制器输入引脚之间的路径应尽可能短且直接,避免过长或多转角的布线。




8. 检查热分布

  • 理由:输入电容处于高频电流中,可能因功耗引起发热。

  • 做法

    • 确保电容周围有良好的散热路径。

    • 如果使用多个电容分担电流,注意均匀布置它们,减少局部过热。

      要关注电容周围的热源,也要关注电容的自发热,要关注上图中其能够承受的最大有效电流的值。



通过以上技巧,可以显著优化开关电源电路输入电容的PCB设计,提高系统的稳定性、效率,并降低EMI问题。如果需要更具体的示意图或工具支持,可以进一步讨论!

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