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嵌入式开关电源的PCB设计

发布时间 :2017-09-30 10:48 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
在任何开关电源PCB设计中,PCB板的物理设计都是最后一个环节,如果设计方法不当,PCB可能会辐射过多的电磁干扰,造成电源工作不稳定。作为设计者,必须理解电路的物理工作原理,设计出高品质的PCB
 
开关电源中包含有高频信号,PCB上任何印制线都可以起到天线的作用,印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗,从而影响频率响应。即使是藉由直流信号的印制线也会从邻近的印制线藕合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号)。因此应将所有藉由交流电流的印制线设计得尽可能短而宽,这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的零配件放置得很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比,而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出印制线响应的波长,长度越长,印制线能发送和接收电磁波的频率越低,它就能辐射出更多的射频能量。
 
为电源开关或同步整流功能的设计选择合适的MOSFET也能有助于减少电磁干扰,当MOSFET器件断电时,低的C?oss?(象FDS6690A)能减少尖峰脉冲的干扰。
 
主要的电流回路
三种主要的开关电源结构的电流回路,注意它们的区别
图1:三种主要的开关电源结构的电流回路,注意它们的区别。
 
每一个开关电源都有四个电流回路(图1),回路之间保持相对独立,在一个良好布局的PCB,其重要性顺序如下:
 
▪ 电源开关交流回路
▪ 输出整流交流回路
▪ 输入信号源电流回路
▪ 输出负载电流回路
输入的信号源和输出负载电流回路通常不会出现问题,这些回路中的电流波形为大的直流电流和小的交流电流的迭加。这两个回路中通常需要特殊的滤波器防止交流噪声泄漏到周围环境中,输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源。输入回路藉由一个近似直流的电流对输入电容充电,但无法提供开关电源所需的高频电流脉冲。滤波电容主要起到一个宽带储能作用;类似地,输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量,同时消除输出负载回路的直流能量。所以,输入和输出滤波电容的接线端十分重要,如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连,交流能量将“流经”输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。
两种基本PWM工作模式的电流波形产生比开关频率高很多的谐波电流波形
图2:两种基本PWM工作模式的电流波形产生比开关频率高很多的谐波电流波形。
 
电源开关和整流器的交流回路包含高幅梯形电流波形(图2)。这些波形中谐波成分很高,其频率远大于开关基频,这些交流电流的峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍,过渡时间通常约为50ns,这两个回路最容易产生电磁干扰。
 
设计者必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路,每个回路的三种主要的元件(滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器)应彼此相邻地进行放置,调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短,图3显示出升压(或降压)转换器电源部份的布线情况。
升压(降压)变换器电源部份的布局示例,确保缩短电流路径的长度
图3:升压(降压)变换器电源部份的布局示例,确保缩短电流路径的长度。
 
这些回路中的印制线对转换器测量效率影响也最大。选择诸如DPAK或SO-8的封装形式,可在散热同时进行信号传输,Fairchild及其他供应商的产品可将散热和信号传输的功能组合在一起。
 
接地很重要
接地是前面讨论的电流回路的底层支路,但作为电路的公共参考点却起着很重要的作用。因此,在布局中应仔细考虑接地线的放置,将各种接地混合会造成电源工作不稳定。
 
设计时应确定已考虑了另外的“控制地”,它是连接到控制IC和所有相关的无源器件的接地点,并且极为敏感,因此只有在布放好其他交流回路后再放置它。控制地与其它接地相连的点是非常特殊的(图4),通常,连接点位于控制IC感应小电压的所有元件的公共端。这些连接点包括电流模式开关变换器中的电流敏感电阻的公共端和输出电阻分压器的底端,其作用是在敏感元件和对电压误差或电流放大灵敏的输入之间建立低噪声的Kelvin连接。如果控制地连接到任何其它点,在那些额外回路中产生的噪声会被迭加到控制信号上,反而会影响控制集体电路的工作。
三种主要的开关电源结构的接地方案
图4:三种主要的开关电源结构的接地方案。
 
设计者要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线,通常,滤波电容的公共端应是其它的接地点藕合到大电流的交流地的唯一连接点。
 
高电压交流节点
每一个开关电源内有一个节点,与其它节点相比,它的交流电压最高,这一节点是出现在电源开关管漏极(或集电极)的交流节点。在非隔离的DC/DC变换器中,这一节点也可连接到电感及接到(或输出到)整流器;在隔离变压器的结构中,这一节点与变压器的线圈分开。它在电性能上仍表现为公共节点,但仅藉由变压器反映,每一个要分别进行设计。
 
这一节点会出现不同的问题,它的交流电压可藉由电容藕合到附近不同金属层的印制线上,并辐射出电磁干扰。然而,印制线通常还必须为电源开关管和整流器散热,特别是表面黏着的电源。从电气角度来看,印制线应尽可能小,但从散热角度看则应大一些。在表面黏着的设计中(图5),有一个好的折中方法,制作和底层PCB板相同的顶层PCB板,并藉由许多孔(或过孔)连接在一起。
增强PCB板的散热能力并减少其它印制线容性藕合的好方法
图5:增强PCB板的散热能力并减少其它印制线容性藕合的好方法。
 
这项技术大大地减少了对其它印制线的容性藕合,但却成倍地增加了散热量和表面区域。以一个SO8封装的N沟道功率MOSFET(诸如FDS6670A)为例,在上层仅有325 mm▲2▲的覆铜区域,与空气接触的热电阻是50(C/W,在PCB的底层加另一个相同的板并藉由8个过孔连接在一起,热电阻降到39(C/W,因为在板子的另一侧不存在载有不同信号的金属线,电容的容量将下降一个数量级以上。
 
在过孔应用中,必须使其它信号和接地远离带有高电压的交流印制线和用来散热的部份。在离线的变换器中,接地线可能从这个节点藕合能量,并使其藉由交流插头从产品中导出,这就产生了过多的传导电磁干扰。
 
并联滤波电容
电容经常并联使用以减少滤波电容的并联等效串联电阻(ESR),这一做法也使每一个电容能分流一部份波纹电流,以使每一个电容都能在其波纹电流的规范内正常工作。只有当电容间的印制线阻抗及每个波纹电流源相同时,才会“平均分流”波纹电流,这就要求在整流器或电源开关管之间电容间的印制线必须等长且等宽。
并联电容的正确放置是开关电源设计的关键之一
图6:并联电容的正确放置是开关电源设计的关键之一。
 
按列放置电容并顺序连线非常美观(图6a),但这种布局会使距离电源开关或整流器最近的电容比其它电容器承受更多的波纹电流,从而缩短该电容的使用寿命,图6b所示为并联电容的较好布线方法。


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