PCB中大電流直流電壓管理方案解析

每位電氣工程師都應(yīng)通過學(xué)習(xí)直流電源，歐姆定律和整個電路的電源分配來開始電子學(xué)教育。當(dāng)您考慮在電路圖中表示真實組件的簡化方法時，與交流電源系統(tǒng)相比，直流電壓和電流看起來很簡單。實際上，直流電源系統(tǒng)會變得非常復(fù)雜，非?？焖伲O(shè)計人員需要考慮其系統(tǒng)中的電氣和熱安全性。

每個數(shù)字和模擬系統(tǒng)都需要一個板載電源，但是用于電力電子系統(tǒng)的板可以成為自己的成果。如果您正在設(shè)計直流電源系統(tǒng)，或者需要用于AC-DC轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，則需要考慮系統(tǒng)的安全性和溫度，尤其是在大電流下運行時?！按箅娏鳌币辉~似乎有些武斷，但是系統(tǒng)中的電流將確定不同組件的安全性和溫度升高，因為它決定了散發(fā)為熱量的DC功率。

PCB中的大電流直流電壓管理始于原理圖。目的是檢查系統(tǒng)中不同組件之間的電壓降如何以及在高電流下會消耗多少功率。高壓/大電流系統(tǒng)中的電阻，變壓器，開關(guān)FET和其他驅(qū)動器或控制IC之類的組件可能會達到高溫，或使用戶遭受輸出沖擊。

直流穩(wěn)壓器級

電力系統(tǒng)本身可能需要多個調(diào)節(jié)器級。目標是采用不受管制的，可能有噪聲的直流電源，并將其轉(zhuǎn)換為具有固定電壓/電流的穩(wěn)定直流輸出。當(dāng)涉及到高直流下的高壓電源電路時，市場上很少有集成電路集成了直流電源轉(zhuǎn)換所需的所有組件，因此您必須在輸入調(diào)節(jié)器級上使用單獨的分立組件。這是這些系統(tǒng)很大的原因之一。分立元件需要布置在PCB上，以便為板上的風(fēng)扇或散熱器騰出空間。

在原理圖中，您需要使用分立元件構(gòu)建穩(wěn)壓器電路，并模擬到達輸出的電壓/電流?？梢允褂肞Spice中的瞬態(tài)分析來計算每個調(diào)節(jié)器級提供的功率。通過將每個階段的輸出功率與輸入功率進行比較，可以確定電路的效率。設(shè)計良好的開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)具有遠高于95％的效率。您可以在相關(guān)文章中閱讀有關(guān)設(shè)計和模擬各種開關(guān)穩(wěn)壓器拓撲的更多信息。

大電流DC降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖

使用PSpice中的仿真工具，可以在直流穩(wěn)壓器級中進行以下仿真：

輸出電壓，電流和功率。為此，只需放置理想的負載分量（上圖中的RL）并進行瞬態(tài)分析。這將向您展示輸出電壓，功率和電流如何上升以達到穩(wěn)態(tài)。只需在輸出上放置探頭，或添加波形。有關(guān)上述電路中電感器的示例電壓波形，請參見下圖。

電阻元件的功耗。您的目標是檢查電阻組件的功耗是否不超過絕對最大額定功率。然后，每個組件的功耗將確定其溫度升高。您可以通過將組件溫度系數(shù)作為零件參數(shù)包含在PSpice原理圖中來直接模擬每個組件中的溫度。

輸入直流電壓掃描。通過直流電壓掃描，您可以查看系統(tǒng)輸出的變化方式，并可以確定最大輸入電壓。這應(yīng)該與上一點結(jié)合起來，因為增加輸入電壓會增加跨不同組件的功耗。對于開關(guān)MOSFET，如果輸入電壓超過晶體管負載線的線性范圍，則輸出將飽和。

直流穩(wěn)壓器中的輸出電壓電平和電感器電流

瞬態(tài)分析使您可以看到輸出紋波，穩(wěn)定的電壓電平以及電壓紋波與其他組件中的電壓/電流的比較。下面顯示了在上述調(diào)節(jié)器級中將輸出電壓與電感器電流進行比較的示例。下圖還顯示了低輸入電壓的結(jié)果。掃描輸入電壓時，您可以生成多個圖形并確定電壓電平何時停止增加（即，穩(wěn)壓器中的MOSFET何時飽和）。

在上述電路中以及在DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計中要考慮的重要一點是電容器中的寄生效應(yīng)。電容器引線中的串聯(lián)電感和電阻會導(dǎo)致所有電容器表現(xiàn)出自諧振，這意味著電容器的功能類似于串聯(lián)RLC電路。您可以使用PSpice中的掃頻模擬來確定電容器的自諧振頻率。電容器的自諧振頻率應(yīng)大于PWM信號的拐點頻率，以確保輸出電壓上的低紋波。

確定DC-DC階段的電壓和電流后，您需要考慮電路

用于大電流AC-DC轉(zhuǎn)換的隔離和PFC電路

如果要構(gòu)建從交流輸入轉(zhuǎn)換成的大電流直流電源系統(tǒng)，則在輸入上需要整流器。為了很大程度地提高開關(guān)穩(wěn)壓器級的輸出效率，您可能需要使用功率因數(shù)校正（PFC）電路來確保下游開關(guān)穩(wěn)壓器吸收穩(wěn)定的電流。開關(guān)穩(wěn)壓器會在短時間內(nèi)產(chǎn)生電流，因此輸入功率級的電流不會像干凈的正弦波。取而代之的是，它會流向下游調(diào)節(jié)器級的電流很小。

PFC電路的目的是確保流向下游開關(guān)調(diào)節(jié)器的電流類似于正弦波。PFC電路在整流器的輸出端使用一個電感器，以抑制開關(guān)調(diào)節(jié)器吸收的任何電流。當(dāng)電流突發(fā)流過PFC級的輸出時，電感器會產(chǎn)生反電動勢，這會減慢到達穩(wěn)壓器級輸入的電流上升。典型的拓撲如下所示：

用于大電流AC-DC轉(zhuǎn)換的PFC拓撲

甲PWM信號用于切換的MOSFET（見S上文），這引起電容器的充電和放電。PFC電路的輸出電平和波形將取決于PWM占空比。輸入電感器減緩了到達電容器的輸入電流的上升和下降，這導(dǎo)致到達調(diào)節(jié)器輸入的電流類似于帶有一些波紋的正弦波。

就像DC-DC轉(zhuǎn)換階段中的各個調(diào)節(jié)器階段一樣，您應(yīng)該對輸出進行瞬態(tài)分析，以檢查電流波形類似于帶有波紋的正弦波，并且應(yīng)該將輸入功率與輸出功率進行比較以計算效率。還應(yīng)模擬電阻組件的功耗，并且應(yīng)檢查額定功率和溫度是否超過最大值。

大電流直流電源系統(tǒng)中要考慮的其余方面是交流電源的隔離。大功率交流電源通常在PFC級之前通過變壓器和整流器饋電，以降低電壓。在輸入直流穩(wěn)壓器上使用反激轉(zhuǎn)換器具有許多好處。首先，將第一直流調(diào)節(jié)器級的初級和次級側(cè)電隔離。這樣可以減少來自初級側(cè)的瞬態(tài)耦合，消除下游轉(zhuǎn)換器級中的接地環(huán)路，并允許通過選擇變壓器上的繞組方向來控制輸出極性。PSpice中的瞬態(tài)仿真將向您展示初級側(cè)的瞬態(tài)如何傳播到第一級調(diào)節(jié)器輸出，從而使您能夠評估系統(tǒng)的安全性。

規(guī)劃您的PCB布局

從SPICE仿真中獲得的結(jié)果對于規(guī)劃DC系統(tǒng)中的功率分配至關(guān)重要。您的布局以電源/接地層，過孔，電源軌和實際組件的形式在直流電流中形成了另一層電阻。PCB布局的其他方面也需要加以考慮，以防止走線和組件的溫度過度升高。IPC標準以及消費和商用產(chǎn)品的UL和IEC標準規(guī)定了用于高壓和大電流系統(tǒng)的DC和AC PCB布局的這些方面。

為了符合IPC，開始布局時要考慮兩點：走線中的電流密度和導(dǎo)體之間的間距，取決于它們之間的電勢差?？梢愿鶕?jù)走線允許的溫升來確定DC和AC電源系統(tǒng)PCB的走線寬度。然后可以從IPC-2152諾模圖確定。目的是確定要在PCB中使用的合適的銅重量。

規(guī)定了保持不同電位的導(dǎo)體之間的間距，目的是防止操作過程中產(chǎn)生靜電放電。這些間隙（視線間距）和爬電距離（板表面間距）的規(guī)則在IPC-2221標準中指定。有一些簡單的公式可以用來確定高壓直流電源系統(tǒng)中最小間隙和爬電距離與電壓的關(guān)系。
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