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嵌入式開關電源的PCB設計

上網時間: 2000年05月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:pcb  layout  emi  embedded  switching 

在任何開關電源設計中,PCB板的物理設計都是最後一個環節,如果設計方法不當,PCB可能會輻射過多的電磁干擾,造成電源工作不穩定。作為設計者,必須理解電路的物理工作原理,設計出高品質的PCB。

開關電源中包含有高頻信號,PCB上任何印制線都可以起到天線的作用,印制線的長度和寬度會影響其阻抗和感抗,從而影響頻率響應。即使是藉由直流信號的印制線也會從鄰近的印制線耦合到射頻信號並造成電路問題(甚至再次輻射出干擾信號)。因此應將所有藉由交流電流的印制線設計得盡可能短而寬,這意味著必須將所有連接到印制線和連接到其他電源線的零配件放置得很近。印制線的長度與其表現出的電感量和阻抗成正比,而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比。長度反映出印制線響應的波長,長度越長,印制線能發送和接收電磁波的頻率越低,它就能輻射出更多的射頻能量。

為電源開關或同步整流功能的設計選擇合適的MOSFET也能有助於減少電磁干擾,當MOSFET器件斷電時,低的C?oss?(象FDS6690A)能減少尖峰脈衝的干擾。

主要的電流回路


圖1:三種主要的開關電源結構的電流回路,注意它們的區別。


每一個開關電源都有四個電流回路(圖1),回路之間保持相對獨立,在一個良好佈局的PCB,其重要性順序如下:

  1. 電源開關交流回路

  2. 輸出整流交流回路

  3. 輸入信號源電流回路

  4. 輸出負載電流回路

輸入的信號源和輸出負載電流回路通常不會出現問題,這些回路中的電流波形為大的直流電流和小的交流電流的疊加。這兩個回路中通常需要特殊的濾波器防止交流噪聲泄漏到周圍環境中,輸入及輸出電流回路應分別只從濾波電容的接線端連接到電源。輸入回路藉由一個近似直流的電流對輸入電容充電,但無法提供開關電源所需的高頻電流脈衝。濾波電容主要起到一個寬帶儲能作用;類似地,輸出濾波電容也用來儲存來自輸出整流器的高頻能量,同時消除輸出負載回路的直流能量。所以,輸入和輸出濾波電容的接線端十分重要,如果在輸入/輸出回路和電源開關/整流回路之間的連接無法與電容的接線端直接相連,交流能量將“流經”輸入或輸出濾波電容並輻射到環境中去。


圖2:兩種基本PWM工作模式的電流波形產生比開關頻率高很多的諧波電流波形。


電源開關和整流器的交流回路包含高幅梯形電流波形(圖2)。這些波形中諧波成分很高,其頻率遠大於開關基頻,這些交流電流的峰值幅度可高達持續輸入/輸出直流電流幅度的5倍,過渡時間通常約為50ns,這兩個回路最容易產生電磁干擾。

設計者必須在電源中其它印制線佈線之前先佈好這些交流回路,每個回路的三種主要的元件(濾波電容、電源開關或整流器、電感或變壓器)應彼此相鄰地進行放置,調整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短,圖3顯示出升壓(或降壓)轉換器電源部份的佈線情況。


圖3:升壓(降壓)變換器電源部份的佈局示例,確保縮短電流路徑的長度。


這些回路中的印制線對轉換器測量效率影響也最大。選擇諸如DPAK或SO-8的封裝形式,可在散熱同時進行信號傳輸,Fairchild及其他供應商的產品可將散熱和信號傳輸的功能組合在一起。

接地很重要

接地是前面討論的電流回路的底層支路,但作為電路的公共參考點卻起著很重要的作用。因此,在佈局中應仔細考慮接地線的放置,將各種接地混合會造成電源工作不穩定。

設計時應確定已考慮了另外的“控制地”,它是連接到控制IC和所有相關的無源器件的接地點,並且極為敏感,因此只有在佈放好其他交流回路後再放置它。控制地與其它接地相連的點是非常特殊的(圖4),通常,連接點位於控制IC感應小電壓的所有元件的公共端。這些連接點包括電流模式開關變換器中的電流敏感電阻的公共端和輸出電阻分壓器的底端,其作用是在敏感元件和對電壓誤差或電流放大靈敏的輸入之間建立低噪聲的Kelvin連接。如果控制地連接到任何其它點,在那些額外回路中產生的噪聲會被疊加到控制信號上,反而會影響控制集體電路的工作。


圖4:三種主要的開關電源結構的接地方案。


設計者要確保每一個大電流的接地端採用盡量短而寬的印制線,通常,濾波電容的公共端應是其它的接地點耦合到大電流的交流地的唯一連接點。

高電壓交流節點

每一個開關電源內有一個節點,與其它節點相比,它的交流電壓最高,這一節點是出現在電源開關管漏極(或集電極)的交流節點。在非隔離的DC/DC變換器中,這一節點也可連接到電感及接到(或輸出到)整流器;在隔離變壓器的結構中,這一節點與變壓器的線圈分開。它在電性能上仍表現為公共節點,但僅藉由變壓器反映,每一個要分別進行設計。

這一節點會出現不同的問題,它的交流電壓可藉由電容耦合到附近不同金屬層的印制線上,並輻射出電磁干擾。然而,印制線通常還必須為電源開關管和整流器散熱,特別是表面黏著的電源。從電氣角度來看,印制線應盡可能小,但從散熱角度看則應大一些。在表面黏著的設計中(圖5),有一個好的折中方法,製作和底層PCB板相同的頂層PCB板,並藉由許多孔(或過孔)連接在一起。


圖5:增強PCB板的散熱能力並減少其它印制線容性耦合的好方法。


這項技術大大地減少了對其它印制線的容性耦合,但卻成倍地增加了散熱量和表面區域。以一個SO8封裝的N溝道功率MOSFET(諸如FDS6670A)為例,在上層僅有325 mm▲2▲的覆銅區域,與空氣接觸的熱電阻是50(C/W,在PCB的底層加另一個相同的板並藉由8個過孔連接在一起,熱電阻降到39(C/W,因為在板子的另一側不存在載有不同信號的金屬線,電容的容量將下降一個數量級以上。

在過孔應用中,必須使其它信號和接地遠離帶有高電壓的交流印制線和用來散熱的部份。在離線的變換器中,接地線可能從這個節點耦合能量,並使其藉由交流插頭從產品中導出,這就產生了過多的傳導電磁干擾。

並聯濾波電容

電容經常並聯使用以減少濾波電容的並聯等效串聯電阻(ESR),這一做法也使每一個電容能分流一部份波紋電流,以使每一個電容都能在其波紋電流的規範內正常工作。只有當電容間的印制線阻抗及每個波紋電流源相同時,才會“平均分流”波紋電流,這就要求在整流器或電源開關管之間電容間的印制線必須等長且等寬。


圖6:並聯電容的正確放置是開關電源設計的關鍵之一。


按列放置電容並順序連線非常美觀(圖6a),但這種佈局會使距離電源開關或整流器最近的電容比其它電容器承受更多的波紋電流,從而縮短該電容的使用壽命,圖6b所示為並聯電容的較好佈線方法。

參考書:


  1. Brown, Marty, 《嵌入式開關電源PCB設計考慮》,Fairchild App Note, Oct 1999.

  2. Brown, Marty, 《電源手冊》,Butterworth-Heinemann, 1994, pp 89-94, 224, 216-225.

  3. Brown, Marty, 《實用開關電源設計》, Academic Press, Inc.,1990, pp 115-119, 125-128.

  4. Hopkins, Douglas C., 《電源電氣封裝-電路設計方法》,IEEE APEC 1999.


欲獲更多資訊,請聯絡作者:Marty Brown

E-mail: mjbrown@getnet.com

Fax:1-480-614-8748.

開關電源PCB設計實例


建立開關電源佈局的最好方法與其電氣設計相似,最佳設計流程如下:

  1. 放置變壓器或電感

  2. 設計電源開關電流回路

  3. 設計輸出整流器電流回路

  4. 連接到交流電源電路的控制電路

  5. 設計輸入電流源回路和輸入濾波器

  6. 設計輸出負載回路和輸出濾波器

用金屬填充PCB是一個好方法,為避免在PCB上留下大面積的無金屬區域,加寬接地和電源的印制線以填充空的區域,這樣做原因有二個:1. 使變換器能更好地散熱。2.

大面積的銅產生渦漩電流,更好地吸收並消耗掉射頻能量。

當然,電源通常留在設計的最後,因此分配給它的區域小且位置差,這些都意味著通常無法嚴格地執行上面概括出的流程。然而,每一個設計者都必須理解電氣因素的重要性,盡全力設計出符合流程的產品。

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