處理穩(wěn)壓器高開關(guān)頻率的PCB布局設(shè)計(jì)

《處理穩(wěn)壓器中高開關(guān)頻率的 PCB 布局》系列專輯由三篇文章構(gòu)成，主要圍繞高開關(guān)頻率處理穩(wěn)壓器，介紹了高頻 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)、使用注意事項(xiàng)以及寄生電感對(duì) PCB 布局的影響。本文《處理穩(wěn)壓器中高開關(guān)頻率的 PCB 布局 (一) 》將通過(guò)介紹理想電路和實(shí)際電路仿真，回顧開關(guān)波形，檢查 PCB 布局，并使用理想的仿真模型，以確認(rèn)當(dāng)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率較高時(shí)可使用的電子元件。

設(shè)置電感和輸出電容器常數(shù)

DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率通常在 300~500KHz 之間，但逐漸流行開關(guān)頻率為 1~2MHz 的產(chǎn)品，有些可達(dá)到 4MHz 或更高。高頻 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能夠減小輸出電容和電感的尺寸以節(jié)省電路板空間，這是小型便攜類產(chǎn)品的基本功能，但它們卻很難在較高的開關(guān)頻率下達(dá)到更低的電壓。

這次我們將使用 ADI LTspice 創(chuàng)建一個(gè)理想電路并驗(yàn)證其工作。如下圖 (圖1) 所示，使用電路構(gòu)建輸入電壓為 6(V)、輸出電壓為 12(V)、負(fù)載電流為 10(A) 的升壓轉(zhuǎn)換器。使用該理想電路時(shí)，觀察當(dāng)開關(guān)頻率為 2MHz 和 400KHz 時(shí)，計(jì)算并比較所用電感和輸出電容的常數(shù)值變化幅度，之后可以檢查當(dāng)電路隨計(jì)算常數(shù)移動(dòng)時(shí)是否能夠獲得相同的特性。

圖1 升壓轉(zhuǎn)換器電路

選擇電感器

在計(jì)算電感值前需要先計(jì)算 Duty 比，可參考使用下圖 (圖2) 所示公式。其中 Vo 為輸出電壓，VIN 為輸入電壓，VD 為二極管正向電壓。

圖2 Duty 比計(jì)算公式

接下來(lái)計(jì)算開關(guān)頻率為 2MHz 的電感 (L1) 和開關(guān)頻率為 400KHz 的電感 (L2)。計(jì)算公式如下圖 (圖3) 所示，其中 ΔIL 為負(fù)載電流的 40%。當(dāng)開關(guān)頻率為 2MHz 時(shí)，電感值約為 1/5，電感器的匝數(shù)減少。由此可見(jiàn)，高開關(guān)頻率的優(yōu)點(diǎn)是可以選擇電感外形較小的元件。

圖3 電感計(jì)算公式

選擇輸出電容

隨后使用下圖 (圖4) 所示公式，計(jì)算輸出電容值，這里的 ESR 指的是輸出電容的 ESR，而輸出電容由可接受的輸出紋波值決定。

圖4 輸出紋波電壓計(jì)算公式

這次我們將模擬理想狀態(tài)下升壓轉(zhuǎn)換器的電路，將 ESR 為零的公式展開，可得出求輸出電容公式，如下圖 (圖5) 所示：

圖5 輸出電容電容計(jì)算公式

根據(jù)公式計(jì)算了開關(guān)頻率為 2MHz(Cout1) 的輸出電容和400KHz(Cout2) 的輸出電容，Cout1=18μF，Cout2=92μF，因此開關(guān)頻率越高，電容越小。接下來(lái)可以通過(guò)仿真來(lái)檢查計(jì)算出的電感器和輸出電容器是否可以獲得所需的輸出電壓。

使用 LTspice 進(jìn)行操作檢查

接下來(lái)通過(guò) LTspice 驗(yàn)證使用上圖 (圖1) 中理想升壓轉(zhuǎn)換器電路中計(jì)算的電感和輸出電容、在 2MHz 和 400KHz 的開關(guān)頻率下是否可獲得 12V 輸出以及紋波電壓是否相同。

圖6 開關(guān)頻率為 2MHz 和 4MHz 的升壓穩(wěn)壓器電路

如下圖 (圖7) 所示為輸出電壓仿真，其中紅色 (Vout1) 為開關(guān)頻率為 2MHz 的結(jié)果，在 12V 輸出電壓下紋波約為 149mV，藍(lán)色 (Vout2) 為開關(guān)頻率為 400KHz 的結(jié)果，在 11.95V 輸出電壓下紋波約為 145mV。從這些結(jié)果可以看出，所選的電感器和輸出電容器沒(méi)有問(wèn)題，并且在具有高開關(guān)頻率的穩(wěn)壓器的情況下，可以選擇附近使用的電感器和電容器等小元件。

圖7 輸出電壓波形圖

但是需要檢查如下圖 (圖8) 所示的各種電流波形，藍(lán)色電感電流具有低壓擺率的特點(diǎn)，易于利用輸入電容進(jìn)行濾波。可以看出流過(guò)紅色開關(guān)的電流和流過(guò)綠色輸出電容的電流是具有快速壓擺率的 PWM 電流波形，這種快速壓擺率電流的 PCB 布局必須是經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)的。此次出于仿真目的，我們對(duì) 2MHz 和 400KHz 使用相同的壓擺率進(jìn)行仿真，但是在真實(shí)設(shè)備上，400MHz 的壓擺率可能會(huì)比 2KHz 時(shí)更快。

圖8 各種電流波形

總結(jié)

本文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明當(dāng)處理穩(wěn)壓器開關(guān)頻率越高，穩(wěn)壓器中使用的相互作用器和電容器的尺寸就越小。然而高開關(guān)頻率也伴隨著挑戰(zhàn)，例如開關(guān)損耗增加、高開關(guān)節(jié)點(diǎn)壓擺率和高電流壓擺率，也很難找到合適的 MOSFET。MOSFET 必須具有足夠低的導(dǎo)通電阻，以最大限度地降低導(dǎo)通損耗并實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)。PCB 上元件的放置和布線應(yīng)考慮 PCB 的寄生電感，敏感節(jié)點(diǎn)不應(yīng)允許噪聲傳播。

在下一篇文章中，我們將使用真實(shí)穩(wěn)壓器的仿真模型來(lái)檢查 PCB 布局的寄生電感對(duì)快速壓擺率電流波形的影響，并檢查 PCB 布局設(shè)計(jì)的考慮因素。

審核編輯：湯梓紅