如何做好开关电源设计最重要的一步?(二)

在上一篇文章“如何做好开关电源设计最重要的一步?(一)”中,我们讲解了有关开关电源设计中印制电路板的制作、主要电流环路和开关电源内部接地的内容。本文中,我们将讲解开关电源设计中交流电压节点、滤波电容的并联以及开关电源PCB制作的最佳方法。
交流电压节点

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每个开关电源中都有一个交流电压最大的节点,这个节点就是功率开关漏极(或集电极)。无隔离DC-DC变换器中,这个节点与电感和续流二极管相连。变压器隔离拓扑中,变压器有多少个绕组,就有多少个交流节点。但从电气上看,它们代表同一个节点,只是经变压器映射成这么多节点。对每一个交流节点都要单独进行仔细考虑。

交流节点会引起特有的问题,交流电压在发射EMI的同时,很容易通过电容方式耦合到不同层上邻近的引线上。更为不利的是,这部分引线要作为功率开关管和整流器的散热部分,特别是在表面贴装的电源中。从电气上考虑,要求这些引线越窄越好,但从散热方面考虑,要越宽越好。表面贴装设计中,比较好的折中方法是:让PCB顶层和底层一样,将它们通过一些过孔(或通孔)连接(图1)。

“图1”
图1:增强PCB表面散热能力和减小容性耦合到其他PCB引线上去的比较好的布线方法

这种方法可以使散热体积和表面面积增大两倍多,并大大减小与其他引线之间的容性耦合。使用过孔时,其他的信号和地要与这些高压引线和它的散热部分隔开。离线式变换器中,大地的地会通过散热器(用绝缘体与漏极隔开)从这些节点获取能量,并通过交流电源插头从产品中流走。

滤波电容的并联

为了减小滤波电容的等效串联电阻(ESR),经常用多个电容并联。同时,这样也可以把纹波电流分摊到每个电容上,使每个电容工作在额定的纹波电流下。要把纹波电流平均分布,就要使每个电容与纹波电流源的引线阻抗一样。这就意味着整流器或功率开关管与每个电容端的连线长度和宽度都要一样。

图2a所示的是把电容排成一行,依次把它们连接起来的方法,使靠近功率开关管或整流器的电容分到的纹波电流远多于相距较远的电容分到的纹波电流,这会缩短距离较近的电容的寿命。图2b所示的并联电容的连接方法就比较合理。

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“图2:并联电容的布置”
图2:并联电容的布置

a)并联电容不合理的布置方法
b)并联电容比较理想的布置方法

设计者要尽量在环路的两边,让电容从纹波电流源开始呈“放射性对称布置”。

开关电源PCB制作的最佳方法

开关电源布置的最佳方法与它的电气设计类似。最佳设计流程如下:

1、放置变压器或电感。
2、布置功率开关管电流环路。
3、布置输出整流器电流环路。
4、把控制电路与交流功率电路连接。
5、布置输入环路和输入滤波器。
6、布置输出负载环路和输出滤波器。

有个比较好的规则是把PCB尽可能敷铜,也就是要使PCB没有大的空白区域。为了把空白区域填满,可以把地线和电源线加粗。这样做有两个好处:第一,改善变换器散热条件;第二,大面积的铜可以捕获射频能量,并通过涡流方式很好地消耗掉。

当然,电源通常是安排到最后来放置的,所以放置的空间很小,位置也不理想,所以没有必要严格地按上面的流程设计PCB,每位设计者应在掌握电气面的重要部分的基础上,做出自己最好的设计。

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