如何做好开关电源设计最重要的一步?(一)

印制电路板的制作

所有开关电源设计的非常重要的一步就是印制电路板(PCB)的线路设计。如果这部分设计不当,PCB也使电源工作不稳定,发射出过量的电磁干扰(EMI)。设计师的工作就是在理解电路工作过程的基础上,保证PCB设计合理。

开关电源中,有些信号包含丰富的高频分量,因而任何一条PCB引线都可能成为天线。引线的长和宽影响它的电阻和电感量,进而关系到它们的频率响应。即使是传送直流信号的引线,也会从邻近的引线上引入RF(射频)信号,使电路发生故障,或者把这些干扰信号再次辐射出去。所有传送交流信号的引线要尽可能短且宽。这意味着所有与多条电源线相连的功率器件要尽可能紧挨在一起,以缩短连线长度。引线的长度直接与它的电感量和电阻量成比例,它的宽度则与电感量和电阻量成反比。引线长度就决定了其响应信号的波长,引线越长,它能接收和传送的干扰信号频率就越低,它所接收到的RF(射频)能量也越大。

主要电流环路

每一个开关电源内部都有四个电流环路,每个环路要与其他环路分开。由于它们对PCB布局的重要性,下面把它们列出来:

1、功率开关管交流电流环路。
2、输出整流器交流电流环路。
3、输入电源电流环路。
4、输出负载电流环路。

图1中a、b、c画出了三种主要开关电源拓扑的环路。

“”
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“图1:开关电源拓扑中的主要电流环路”
图1:开关电源拓扑中的主要电流环路

a)无隔离Buck电路
b)无隔离Boost电路
c)变压器隔离变换器

输入电源和负载电流环路一般没什么问题。这两个环路主要是在直流电流上叠加了一些小的交流电流分量。它们一般有专门的滤波器来阻止交流噪声进入周围的电路。输入和输出电流环路连接的位置只能是相应的输入输出电容的接线端。输入环路通过近似直流的电流对输入电容充电,但它无法提供开关电源所需的脉冲电流。输入电容主要是起到高频能量存储器的作用。类似地,输出滤波电容存储来自输出整流器的高频能量,使输出负载环能以直流方式汲取能量。因此,输入和输出滤波电容接线端的放置很重要。如果输入或输出环与功率开关或整流环的连接没有直接接到电容的两端,交流能量就会从输入或输出滤波电容上流进流出,并通过输入和输出电流环“逃逸”到外面环境中。

功率开关和整流器的交流电流环路包含非常高的PWM开关电源典型的梯形电流波形。这些波形含有延展到远高于基本开关频率的谐波。这些交流电流的峰值有可能是连续输入或输出直流电流的2~5倍。典型的转换时间大约是50ns,因而这两个环路最有可能产生电磁干扰(EMI)。

在电源PCB制作中,这些交流电流环路的布线要在其他引线之前布好。每个环路由三个主要器件组成:滤波电容、功率开关管以及整流器、电感或变压器。它们的放置要尽可能靠近。这些器件的方向也要确定好,以使它们之间的电流通路尽可能短。图2就是关于Buck(或降压)变换器功率部分布局的一个很好的例子。

“图2:比较理想的Buck电路布置方案”
图2:比较理想的Buck电路布置方案

这些电流环路的布线,对变换器效率测量也会产生影响。如果这些引线上的电压降比较大,变换器效率就显得比较低,这是因为它工作时的电压降低了(因而电流要增大)。但是,如果用数字电压表(DVM)或仪器来测量效率,输入电压端上测得的值比它实际的大,从而得出一个错误的较大Ⅵ乘积结果。

开关电源内部的接地

电源地代表的是上面介绍的电流环路底下的支路。电源地作为电路的共同电位参考点,在电路中起着非常重要的作用,因而在布置PCB的时候,电源地的安排要十分小心。把这些地混淆的话,会引起电源工作不稳定。

另外,要考虑的一个地是连接控制集成电路和与之相关的无源器件的地,即控制地。这个地非常敏感,因而要在其他的交流电流环路都布置好后再放置。控制地与其他地要通过一些特定的点连接,总的来说,这个连接点是产生控制IC所要检测的小电压的所有器件的公共连接点。它包括电流型变换器电流检测电阻的公共接点和输出端电阻分压器的下端。这样是为了减小检测部分与电压误差或电流放大器敏感的输入端之间的连接而引入的噪声。如果控制地接到其他位置,主电路那些环路产生的噪声会加到控制信号上,影响控制IC的正常工作。

主要变换拓扑的地线安排见图3。

“图3:主要变换拓扑的地线安排”
图3:主要变换拓扑的地线安排

a)无隔离DC-DC变换器
b)无隔离变压器耦合变换器
c)隔离变压器耦合变换器

每条大电流的地线要短而宽。作为一般的规则,除控制地外,输入滤波电容的公共端应作为其他交流电流地的唯一接点。

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