CN218783721U - 一种开关电源电路的pcb结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种开关电源电路的PCB结构,所有电子元器件布局于PCB的同一层面;电感L1位于电源转换芯片U1的右上方;输入电容C1与输入电容C1A平行放置于电源转换芯片U1的输入侧,一端通过铜箔连接在电源转换芯片U1的输入端,另一端与电源转换芯片U1的接地管脚通过覆铜连接;输出电容C2与输出电容C2A平行放置于电感L1输出管脚下方,与电感L1放置方向垂直,通过大面积铜箔与电感L1输出端连接;输出电容C2与输出电容C2A的接地端通过铜箔与输入电容C1、输入电容C1A的接地端接入同一地属性的铜箔。本实用新型具有电磁辐射小、散热效果好、电源信号完整性高、转换率高的优点,保证了电路的电源完整性。
Description
技术领域
本实用新型涉及电路板涉及技术领域,具体涉及一种开关电源电路的 PCB结构。
背景技术
这里的陈述仅提供与本实用新型相关的背景技术,而不必然地构成现有技术。
在电源电路设计时,存在一个电源完整性的指标,简称PI(Power Integrity)。在之前对信号完整性分析时,一般都设定电源处于绝对稳定的状态,然而随着系统设计对仿真精度的不断提高,这种将电源认定为绝对稳定状态的前提越来越受到质疑,因此产生了电源完整性这一指标。对于信号完整性的分析,除了要考虑电路传输中的反射、串扰、电磁干扰外,开发人员越来越关注电源完整性指标,因此可靠稳定的电源供应称为开发人员研究的一个重要课题。
在电子电路中,有两大主要因素影响的稳定性;一是器件高速开关状态下,瞬态的交变电流过大;二是电流回路路径存在电感。比如,去耦电容参数选择不合理,地弹噪声太大,地平面的分割不当,电流分配不均匀,高频信号的阻抗不一致等等,均可成为破坏电源完整性的主要因素。电源完整性受到影响或破坏都有可能影响到整个系统中信号实现的目的,严重干扰通信系统,降低信号的传输质量,破坏信号的正常传递,并有可能产生EMI等问题,最终影响设备的正常运转。在嵌入式系统中,电源完整性受到破坏也会直接影响到信号完整性。
实用新型内容
针对现有技术中存在的上述问题和缺陷,本实用新型提供了一种开关电源电路的PCB结构,在进行电源PCB电路的布局布线过程中,通过选用合理封装尺寸的器件、合理规划元器件的布局布线,降低PCB板面积和设备空间,降低对外电磁干扰,保证电路的电源完整性,使得电源性能可靠稳定、电源可负载能力强、输出纹波小,提高开关电源电路的电源完整性。
为了达到上述目的,本实用新型采用如下的技术方案:
一种开关电源电路的PCB结构,包括电源转换芯片U1、输入电容C1、输入电容C1A、电感L1、前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4、输出电容 C2、输出电容C2A、后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2;
所有电子元器件布局于PCB的同一层面;
电感L1位于电源转换芯片U1的右上方;输入电容C1与输入电容C1A 平行放置于电源转换芯片U1的输入侧,一端通过铜箔连接在电源转换芯片 U1的输入端,另一端与电源转换芯片U1的接地管脚通过覆铜连接;输出电容C2与输出电容C2A平行放置于电感L1输出管脚下方,与电感L1放置方向垂直,并通过大面积的铜箔与电感L1输出端连接;输出电容C2与输出电容C2A的接地端通过铜箔与输入电容C1、输入电容C1A的接地端接入同一地属性的铜箔。
进一步的技术方案,电源转换芯片U1输入端的前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4平行放置于电感转换一侧,并与电感L1同方向放置。
进一步的技术方案,前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4信号采集端通过过孔利用铜箔走线与电源转换芯片U1的相应管脚换层连接,同时与电感管脚留有1mm的电气距离。
进一步的技术方案,电源转换芯片U1输出端的后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2平行放置于电源转换芯片U1输出侧,后端反馈电阻R1的信号采集端通过过孔在PCB的另一面利用铜箔与电感输出端连接。
进一步的技术方案,输入电容C1、输入电容C1A、电源转换芯片U1、输出电容C2、输出电容C2A、后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2同一方向平行且下端对齐放置。
进一步的技术方案,前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4、后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2选用封装型号为0603的贴片薄膜电阻。
进一步的技术方案,输入电容C1、输出电容C2选用封装型号为0603 的贴片陶瓷电容。
进一步的技术方案,输入电容C1A、输出电容C2A选用封装型号为3216 的钽电容。
进一步的技术方案,电源转换芯片U1与接地端相连的管脚焊盘处设置多个到内层地平面的过孔。
进一步的技术方案,在PCB加工时采用树脂材料填充过孔。
与现有技术相比,本实用新型存在以下有益效果:
本实用新型所提供的开关电源电路的PCB结构,根据开关电源电路的电路特点,通过合理规划器件布局、选用合理封装尺寸的器件,减少开关电源电路中的输入、输出两个电流回路的占用面积,降低PCB板面积和设备空间,从而降低电路中的电子元器件所形成的两个环形天线对外的电磁干扰,保证了电路的电源完整性,从而使得电源性能可靠稳定、电源的可负载能力强、输出的纹波较小,并使得PCB的地平面完整。
附图说明
构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解,本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型,并不构成对本实用新型的不当限定。
图1是本实用新型实施例所述开关电源电路的原理图;
图2是本实用新型实施例所述开关电源电路的原理图中形成的电流回路的示意图;
图3是本实用新型实施例所述开关电源电路PCB结构的器件布局布线图;
图4是本实用新型实施例所述开关电源电路PCB结构的器件布局布线图中形成的电流回路的走线示意图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或是一体式连接;可以是直接连接,也可以是通过中间媒介间接相连,还可以是两个元件内部连接,或是两个元件的相互作用关系;对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型的具体含义,不能理解为对本实用新型的限制。
本实用新型公开的开关电源电路的电路原理图如图1所示,该开关电源电路包括电源转换芯片U1、输入电容C1、输入电容C1A、电感L1、前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4、输出电容C2、输出电容C2A、后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2。其中,输入电容C1与输入电容C1A组成并联电路后的一端为电压输入端且连接在电源转换芯片U1的电压输入端VIN 上,另一端与电源转换芯片U1的接地管脚(即第4、6管脚)共同接地;电源转换芯片U1的第3管脚为电压输出端SW,该电源转换芯片的电压输出端SW与电感L1的一端通过大面积铜箔连接在一起,电感L1的另一端为开关电源电路的电压输出端,与输出电容C2、输出电容C2A组成的并联电路的一端共同连接,输出电容C2、输出电容C2A组成的并联电路的另一端共同接地。前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4分别与电源转换芯片U1 的第1、8管脚连接,另一端均与电源转换芯片U1的电压输入端VIN(即第2管脚)连接,激活该电源转换芯片U1的使能管脚EN(即第8管脚),电源转换芯片U1开始工作,该电源转换芯片U1的PG管脚(即第1管脚) 保证芯片供电电路正常工作信号的输出。后端反馈电阻R2的一端接地,另一端与电源转换芯片U1的第7管脚连接后与后端反馈电阻R1串联,后端反馈电阻R1的另一端与作为开关电源电路电压输出端的电感L1的一端连接,后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2用于对输出电压进行分压,与电源转换芯片U1的第7管脚组成反馈电路。此外,电源转换芯片U1的第5 管脚也连接至开关电源电路的电压输出端。
如图2所示,在本实施例所述开关电源电路中,存在如下两个电路回路:
电流回路1:电源输入端VIN→输入电容C1A→输入电容C1→电源转换芯片U1→电感L1→输出电容C2→输出电容C2A→输入电容 C1接地端;
电流回路2:电源转换芯片U1→电感L1→输出电容C2→输出电容C2A→电源转换芯片U1接地端。
以上两个电流回路的输入电容C1、输入电容C1A起到滤波的作用,分别滤除输入电源电压中的低频和高频干扰信号;电感L1则作为储能器件,配合电源转换芯片U1实现电源转换功能;输出电容C2、输出电容C2A同样地起到滤波功能,滤除输出电源中的低频和高频干扰信号,减小输出电源纹波,同时C2A为钽电容,可同时起到储能作用。
本实施例所提供的开关电源电路的PCB结构的器件布局布线图如图3 所示。
具体地,所有电子元器件布局于PCB的同一层面;输入电容C1、输入电容C1A、电源转换芯片U1、输出电容C2、输出电容C2A、后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2同一方向平行放置,且下端对齐放置;电感L1位于电源转换芯片U1的右上方,转换管脚靠近该芯片U1;输入电容C1与输入电容C1A平行放置于电源转换芯片U1的输入侧,输入电容C1与输入电容C1A的一端通过铜箔连接在电源转换芯片U1的输入端(即图3所示的电源转换芯片U1的2端口)上,输入电容C1与输入电容C1A的接地端与电源转换芯片U1的接地管脚(即图3所示的电源转换芯片U1的4端口) 通过覆铜连接,同时采用大面积的铜箔与PCB上电线接地端GND的铜箔相连;输出电容C2与输出电容C2A平行放置于电感L1输出管脚下方,与电感L1放置方向垂直,并通过大面积的铜箔与电感输出端连接;输出电容 C2与输出电容C2A的接地端通过铜箔与输入电容C1、输入电容C1A的接地端接入同一地属性的铜箔。
同时,电源转换芯片U1输入端的前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4 平行放置于电感转换一侧,并与电感L1同方向放置;前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4信号采集端通过0.5mm宽的铜箔走线与电源转换芯片U1 的相应管脚通过过孔换层连接,同时与电感管脚留有1mm以上的电气距离;电源转换芯片U1输出端的后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2平行放置于电源转换芯片输出侧,后端反馈电阻R1的信号采集端通过过孔在PCB的另一面通过铜箔与电感输出端连接。
所述电感L1采用长为7.3+-0.5mm、宽为6.8+-0.5mm的一体成型电感。前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4、后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2 优先选用封装型号为0603的贴片薄膜电阻;输入电容C1、输出电容C2优先选用封装型号为0603的贴片陶瓷电容;输入电容C1A、输出电容C2A 优先选用封装型号为3216的钽电容。
在本实施例中,所述过孔的孔径与PCB焊盘的比例为:孔径/焊盘=12mil:24mil,该尺寸的过孔在1OZ(盎司)铜厚下的载流能力为0.73A (安)。具体实施时,其他电容的接地端都通过大面积的铜箔进行相连。在电源转换芯片U1与接地端相连的管脚焊盘附近设置至少6-8个到内层地平面的过孔,以提高PCB的散热效果,对于该类散热过孔在PCB加工时要采用树脂材料填充,防止贴装器件过程中出现漏锡的情况。接地铜箔的面积必须满足电流大小需求,务必留有足够的余量。
本实施例所形成的两个电流回路在PCB板上的走向示意图如图4所示,显示电路原理中两个电流回路在PCB板上的电流回路走向。
采用本实用新型实施例中提供的PCB结构对开关电源电路进行设计,具有以下优势:
1、采用的电子器件封装尺寸小、高度低、占用的PCB板的面积小;
2、电子器件在OCB办中的布局布线合理,输入、输出电流回路面积小,向外辐射电磁干扰小;
3、PCB板的地平面连续且完整,接地过孔密集,可以起到很好的散热效果;
4、电源性能可靠稳定,电源负载能力强,输出的电源纹波较小。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述,但并非对本实用新型保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本实用新型的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种开关电源电路的PCB结构,其特征在于:包括电源转换芯片U1、输入电容C1、输入电容C1A、电感L1、前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4、输出电容C2、输出电容C2A、后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2;
所有电子元器件布局于PCB的同一层面;
电感L1位于电源转换芯片U1的右上方;输入电容C1与输入电容C1A平行放置于电源转换芯片U1的输入侧,一端通过铜箔连接在电源转换芯片U1的输入端,另一端与电源转换芯片U1的接地管脚通过覆铜连接;输出电容C2与输出电容C2A平行放置于电感L1输出管脚下方,与电感L1放置方向垂直,并通过大面积的铜箔与电感L1输出端连接;输出电容C2与输出电容C2A的接地端通过铜箔与输入电容C1、输入电容C1A的接地端接入同一地属性的铜箔。
2.根据权利要求1所述的开关电源电路的PCB结构,其特征在于:电源转换芯片U1输入端的前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4平行放置于电感转换一侧,并与电感L1同方向放置。
3.根据权利要求2所述的开关电源电路的PCB结构,其特征在于:前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4信号采集端通过过孔利用铜箔走线与电源转换芯片U1的相应管脚换层连接,同时与电感管脚留有1mm的电气距离。
4.根据权利要求1所述的开关电源电路的PCB结构,其特征在于:电源转换芯片U1输出端的后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2平行放置于电源转换芯片U1输出侧,后端反馈电阻R1的信号采集端通过过孔在PCB的另一面利用铜箔与电感输出端连接。
5.根据权利要求1所述的开关电源电路的PCB结构,其特征在于:输入电容C1、输入电容C1A、电源转换芯片U1、输出电容C2、输出电容C2A、后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2同一方向平行且下端对齐放置。
6.根据权利要求1所述的开关电源电路的PCB结构,其特征在于:前端反馈电阻R3、前端反馈电阻R4、后端反馈电阻R1、后端反馈电阻R2选用封装型号为0603的贴片薄膜电阻。
7.根据权利要求1所述的开关电源电路的PCB结构,其特征在于:输入电容C1、输出电容C2选用封装型号为0603的贴片陶瓷电容。
8.根据权利要求1所述的开关电源电路的PCB结构,其特征在于:输入电容C1A、输出电容C2A选用封装型号为3216的钽电容。
9.根据权利要求1所述的开关电源电路的PCB结构,其特征在于:电源转换芯片U1与接地端相连的管脚焊盘处设置多个到内层地平面的过孔。
10.根据权利要求9所述的开关电源电路的PCB结构,其特征在于:在PCB加工时采用树脂材料填充过孔。
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