開關(guān)電源內(nèi)部的四個電流環(huán)路設計

印制電路板的制作

所有開關(guān)電源設計的非常重要的一步就是印制電路板(PCB)的線路設計。如果這部分設計不當，PCB也會使電源工作不穩(wěn)定，發(fā)射出過量的電磁干擾(EMI)。設計者的作用就是在理解電路工作過程的基礎上，保證PCB設計合理。

開關(guān)電源中，有些信號包含豐富的高頻分量，因而任何一條PCB引線都可能成為天線。引線的長和寬影響它的電阻和電感量，進而關(guān)系到它們的頻率響應。即使是傳送直流信號的引線，也會從鄰近的引線上引入RF(射頻)信號，使電路發(fā)生故障，或者把這干擾信號再次輻射出去。所有傳送交流信號的引線要盡可能短且寬。這意味著任何與多條功率線相連的功率器件要盡可能緊挨在一起，以減短連線長度。引線的長度直接與它的電感量和電阻量成比例，它的寬度則與電感量和電阻量成反比。引線長度就決定了其響應信號的波長，引線越長，它能接收和傳送的干擾信號頻率就越低，它所接收到的RF(射頻)能量也越大。

主要電流環(huán)路

每一個開關(guān)電源內(nèi)部都有四個電流環(huán)路，每個環(huán)路要與其他環(huán)路分開。由于它們對PCB布局的重要性，下面把它們列出來：

1、功率開關(guān)管交流電流環(huán)路。

2、輸出整流器交流電流環(huán)路。

3、輸入電源電流環(huán)路。

4、輸出負載電流環(huán)路。

圖1 a、b、c畫出了三種主要開關(guān)電源拓撲的環(huán)路。

圖1 在主要開關(guān)電源拓撲中主要的電流環(huán)路a)無隔離Buck電路 b)無隔離Boost電路 c)變壓器隔離變換器>

通常輸入電源和負載電流環(huán)路并沒有什么問題。這兩個環(huán)路上主要是在直流電流上疊加了一些小的交流電流分量。它們一般有專門的濾波器來阻止交流噪聲進入周圍的電路。輸入和輸出電流環(huán)路連接的位置只能是相應的輸入 輸出電容的接線端。輸入環(huán)路通過近似直流的電流對輸入電容充電，但它無法提供開關(guān)電源所需的脈沖電流。輸入電容主要是起到高頻能量存儲器的作用。類似地，輸出濾波電容存儲來自輸出整流器的高頻能量，使輸出負載環(huán)能以直流方式汲取能量。因此，輸入和輸出濾波電容接線端的放置很重要。如果輸入或輸出環(huán)與功率開關(guān)或整流環(huán)的連接沒有直接接到電容的兩端，交流能量就會從輸入或輸出濾波電容上流進流出，并通過輸入和輸出電流環(huán)“逃逸”到外面環(huán)境中。

功率開關(guān)和整流器的交流電流環(huán)路包含非常高的PWM開關(guān)電源典型的梯形電流波形。這些波形含有延展到遠高于基本開關(guān)頻率的諧波。這些交流電流的峰值有可能是連續(xù)輸入或輸出直流電流的2～5倍。典型的轉(zhuǎn)換時間大約是50ns，因而這兩個環(huán)路最有可能產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。

在電源PCB制作中，這些交流電流環(huán)路的布線要在其他引線之前布好。每個環(huán)路由三個主要器件組成：濾波電容、功率開關(guān)管或整流器、電感或變壓器。它們的放置要盡可能靠近。這些器件的方向也要確定好，以使它們之間的電流通路盡可能短。圖2就是關(guān)于Buck(或降壓)變換器功率部分布局的一個很好的例子。

圖2 比較理想的Buck電路布置方案

這些電流環(huán)路的布線，對變換器效率測量也會產(chǎn)生影響。如果這些引線上的電壓降比較大，變換器效率就顯得比較低，這是因為它工作時的電壓降低了(因而電流要增大)。但是，如果用數(shù)字電壓表(DVM)或儀器來測量效率，輸入電壓端上測得的值比它實際的大，從而得出一個錯誤的比較大的Ⅵ乘積結(jié)果。

開關(guān)電源內(nèi)部的接地

電源地代表的是上面介紹的電流環(huán)路底下的支路。電源地作為電路的共同電位參考點，在電路中起著非常重要的作用，因而在布置PCB的時候，電源地的安排要十分小心。把這些地混淆的話，會引起電源工作不穩(wěn)定。

另外，要考慮的一個地是連接控制集成電路和與之相關(guān)的無源器件的地，即控制地。這個地非常敏感，因而要在其他的交流電流環(huán)路都布置好后再放置?？刂频嘏c其他地要通過一些特定的點連接，總的來說，這個連接點是產(chǎn)生控制IC所要檢測的小電壓的所有器件的公共連接點。它包括電流型變換器電流檢測電阻的公共接點和輸出端電阻分壓器的下端。這樣的目的是減小檢測部分與電壓誤差或電流放大器敏感的輸入端之間的連接而引入的噪聲。如果控制地接到其他位置，主電路那些環(huán)路產(chǎn)生的噪聲會加到控制信號上，影響控制IC的正常工作。

主要變換拓撲的地線安排見圖3。

圖3 主要變換拓撲的底線安排a）無隔離DC-DC變換器 b）無隔離變壓器耦合變換器 c）隔離變壓器耦合變換器

每條大電流的地線要短而寬。作為一般的規(guī)則，除控制地外，輸入濾波電容的公共端應作為其他交流電流地的唯一接點。

交流電壓節(jié)點

每個開關(guān)電源中都有一個交流電壓最大的節(jié)點，這個節(jié)點就是功率開關(guān)漏極(或集電極)。無隔離DC-DC變換器中，這個節(jié)點與電感和續(xù)流二極管相連。變壓器隔離拓撲中，變壓器有多少個繞組，就有多少個交流節(jié)點。但從電氣上看，它們代表同一個節(jié)點，只是經(jīng)變壓器映射成這么多節(jié)點。對每一個交流節(jié)點都要單獨進行仔細考慮。

交流節(jié)點會引起特有的問題，交流電壓在發(fā)射EMI的同時，很容易通過電容方式耦合到不同層上鄰近的引線上。更為不利的是，這部分引線要作為功率開關(guān)管和整流器的散熱部分，特別是在表面貼裝的電源中。從電氣上考慮，要求這些引線越窄越好，但從熱方面考慮，要越寬越好。表面貼片設計中，比較好的折中方法是：讓PCB頂層和底層一樣，將它們通過一些過孔(或通孔)連接，見圖4。

圖4 增強PCB表面散熱能力和減小容性耦合到其他PCB引線上去的比較好的布線方法

這種方法可以使散熱體積和表面面積增大兩倍多，并大大減小與其他引線之間的容性耦合。使用過孔時，其他的信號和地要與這些高壓引線和它的散熱部分隔開。離線式變換器中，大地的地會通過散熱器(用絕緣體與漏極隔開)從這些節(jié)點獲取能量，并通過交流電源插頭從產(chǎn)品中流走。

濾波電容的并聯(lián)

為了減小濾波電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)，經(jīng)常用多個電容并聯(lián)。同時，這樣也可以把紋波電流分攤到每個電容上，使每個電容工作在額定的紋波電流下。要把紋波電流平均分布，就要使每個電容與紋波電流源的引線阻抗一樣。這就意味著整流器或功率開關(guān)管與每個電容端的連線長度和寬度都要一樣。

圖5 a所示的是把電容排成一行，依次把它們連接起來的方法，使靠近功率開關(guān)管或整流器的電容分到的紋波電流遠多于相距較遠的電容分到的紋波電流，這會縮短距離較近的電容的壽命。圖5b所示的并聯(lián)電容的連接方法就比較合理。

圖5 并聯(lián)電容的布置a）并聯(lián)電容不合理的布置方法 b）并聯(lián)電容比較理想的布置方法

設計者要盡量在環(huán)路的兩邊，讓電容從紋波電流源開始呈“放射性對稱布置”。

開關(guān)電源PCB制作的最佳方法

開關(guān)電源布置的最佳方法與它的電氣設計類似。最佳設計流程如下：

1、放置變壓器或電感；

2、布置功率開關(guān)管電流環(huán)路；

3、布置輸出整流器電流環(huán)路；

4、把控制電路與交流功率電路連接；

5、布置輸入環(huán)路和輸入濾波器；

6、布置輸出負載環(huán)路和輸出濾波器。

有個比較好的規(guī)則是把PCB盡可能敷銅，也就是要使PCB沒有大的空白區(qū)域。為了把空白區(qū)域填滿，可以把地線和電源線加粗。這樣做有兩個好處：第一，改善變換器散熱條件；第二，大面積的銅可以捕獲射頻能量，并通過渦流方式很好地消耗掉。

當然，電源通常是安排到最后來放置的，所以放置的空間很小，位置也不理想，所以沒有必要嚴格地按上面的流程設計PCB，每位設計者應在掌握電氣面的重要部分的基礎上，做出自己最好的設計。

編輯：黃飛

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