开关电源的输入电容的PCB设计技巧

时间： 2024-11-29 03:53     

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：

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• 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。

• 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

  

• 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。

• 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。

  

• 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）

• 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。

  

• 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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