嵌入式開關(guān)電源 PCB 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

好的開關(guān)電源需要一塊好的印刷電路板。為了提高效率，PCB 設(shè)計(jì)人員應(yīng)該了解典型開關(guān)電源運(yùn)行背后的現(xiàn)象。本應(yīng)用筆記提供了為嵌入式開關(guān)電源制作優(yōu)質(zhì) PCB 的解決方案和指南。

討論

設(shè)計(jì)師的主要規(guī)則是參與開關(guān)電源設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，包括 PCB。他或她是唯一最了解最終產(chǎn)品中電源功能要求的人。在這樣做時(shí)，電源設(shè)計(jì)人員絕不應(yīng)允許 PCB 設(shè)計(jì)人員在 PCB 布局程序中使用自動(dòng)布線例程。自動(dòng)布線器例程僅努力連接使用與網(wǎng)表中所述相同信號(hào)的節(jié)點(diǎn)。它忽略了完成此操作所需的跡線長度。自動(dòng)布線器還將所有接地點(diǎn)視為相同信號(hào)并將它們連接在一起，而不考慮通過某些跡線運(yùn)行的實(shí)際信號(hào)類型。對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員和 PCB 設(shè)計(jì)人員執(zhí)行良好的 PCB 布局，

了解 PCB 布局的微妙“黑魔法”對(duì)于產(chǎn)品的成功至關(guān)重要。這些布局因素會(huì)影響開關(guān)電源的性能，也會(huì)影響產(chǎn)品投放市場的能力。影響印刷電路板設(shè)計(jì)的產(chǎn)品運(yùn)行方面有：輻射電磁干擾(輻射 EMI)、傳導(dǎo) EMI、電源穩(wěn)定性、效率和運(yùn)行壽命。這兩種形式的 EMI 由 UL、IEC 等監(jiān)管審批機(jī)構(gòu)和全球眾多其他監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行了測試。產(chǎn)品必須通過這些嚴(yán)格的 EMI 測試才能銷售到各自的市場。其余因素影響產(chǎn)品的基本操作和客戶滿意度。

電流回路

開關(guān)電源具有大電流脈沖，在電源電路中流動(dòng)的邊緣非常尖銳。這些大電流脈沖對(duì) EMI 的產(chǎn)生影響最大，應(yīng)該是 PCB 設(shè)計(jì)人員的主要關(guān)注點(diǎn)。這些電流在可定義的“回路”中流動(dòng)，承載這些電流的電路應(yīng)首先進(jìn)行布局。然后將低級(jí)控制電路耦合到布局中的特定位置。用于開關(guān)電源的三種主要基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所有其他拓?fù)涠际沁@三種拓?fù)涞淖凅w。

所示的環(huán)路可以按其對(duì)噪聲產(chǎn)生和運(yùn)行性能影響最大的順序列出：

1. 電源開關(guān)大電流環(huán)路。

2.整流器大電流回路。

3.輸入源循環(huán)。

4.輸出負(fù)載回路。

輸入源和輸出負(fù)載電流回路由輸入和輸出 EMI 濾波器(未顯示)過濾。它們的電流主要由直流電流組成。這些電流的交流分量由電源產(chǎn)生，應(yīng)保持在最低限度。這些交流分量是構(gòu)成傳導(dǎo) EMI 的元素。允許通過足夠長的導(dǎo)體的任何交流能量都會(huì)輻射到產(chǎn)品的環(huán)境中。輸入和輸出回路是次要問題，因?yàn)殡娫磧?nèi)部的大交流脈沖分別由輸入濾波器和輸出濾波器電容器過濾。這使得它們產(chǎn)生高頻噪聲問題的可能性小于兩個(gè)交流環(huán)路。由于監(jiān)管機(jī)構(gòu)直接測量這些環(huán)路，因此應(yīng)稍后對(duì)其進(jìn)行分析。電源開關(guān)和整流器電流回路完全是交流電，或者更恰當(dāng)?shù)卣f，是脈動(dòng)直流電。它們具有梯形電流波形，具有高峰值電流和非常尖銳的邊緣 (di/dt)。

開關(guān)電源拓?fù)渲械闹饕娏鳝h(huán)路。

可以看到一些代表性波形。PWM 開關(guān)電源以這兩種模式之一運(yùn)行：不連續(xù)模式，斷續(xù)模式是指允許輸出整流器在電源開關(guān)再次打開之前完全清空磁性元件的磁能。連續(xù)模式是當(dāng)電源開關(guān)開始為下一個(gè)周期打開時(shí)允許一些剩余能量保留在磁性元件中。在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)流動(dòng)的電流會(huì)被高速開關(guān)迅速中斷，從而導(dǎo)致非常高的 di/dt 轉(zhuǎn)換。

開關(guān)電源的工作模式。

同時(shí)，這些信號(hào)上也會(huì)出現(xiàn)高速率的 dV/dt。這會(huì)產(chǎn)生富含高頻成分的高周期性功率脈沖。因此，電源開關(guān)和整流器回路非?！班须s”，值得特別注意。輸入電源開關(guān)環(huán)路在輸入濾波電容器 (C in) 之間流動(dòng)，通過變壓器(或電感器)的初級(jí)繞組，到達(dá)電源開關(guān)，然后通過地回到輸入電容器。整流回路在變壓器的次級(jí)繞組(或電感的輸出)之間流動(dòng)，通過整流器到輸出濾波電容器(C out)，并通過地返回到變壓器或電感?？傆幸粋€(gè)濾波電容器構(gòu)成兩個(gè)環(huán)路的一部分，因?yàn)殡娙萜魇?a href="/tags/開關(guān)電源" target="_blank">開關(guān)電源所需高頻電流的唯一本地源或吸收器。輸入源和輸出負(fù)載電流環(huán)路可以看作是低頻電流，它們以虛擬直流速率分別對(duì)輸入和輸出濾波電容器進(jìn)行充電或放電。

電源開關(guān)環(huán)路和輸出整流器環(huán)路的布局應(yīng)使“環(huán)路”的周長非常小，并由長度較短、寬度較寬的走線組成。首先，環(huán)路的周長控制可以在存在大量傳導(dǎo)射頻能量的較低頻率下輻射的射頻能量的量。通過使環(huán)周長盡可能短，人們無法為這些較低的噪聲頻率提供有效的天線。典型的電源傳導(dǎo)噪聲頻率分量，該分量在開關(guān)頻率的大約 100 倍之前保持非常高，然后以每十倍頻程 -20 至 -40 dB 的速率下降。允許環(huán)路輻射的頻率越低，允許逃逸到環(huán)境中的能量就越多。第二，高電流回路中使用的走線寬度直接決定了回路周圍出現(xiàn)的壓降量。當(dāng)由高電流產(chǎn)生時(shí)，這種電壓降也會(huì)產(chǎn)生射頻輻射。跡線表現(xiàn)出的電感和電阻與其寬度成反比。電感會(huì)降低環(huán)路的頻率響應(yīng)，因此在較低頻率下是一種更高效的天線。所以循環(huán)跡線應(yīng)該盡可能寬。寬走線還可以為電源開關(guān)和整流器提供更好的散熱效果。顯示了降壓轉(zhuǎn)換器中電源開關(guān)和整流器環(huán)路的布局示例。請(qǐng)注意兩個(gè)主交流環(huán)路的所有成員之間的距離非常短。當(dāng)由高電流產(chǎn)生時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生射頻輻射。跡線表現(xiàn)出的電感和電阻與其寬度成反比。電感會(huì)降低環(huán)路的頻率響應(yīng)，因此在較低頻率下是一種更高效的天線。所以循環(huán)跡線應(yīng)該盡可能寬。寬走線還可以為電源開關(guān)和整流器提供更好的散熱效果。