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工程师详必知:开关稳压器设计的PCB布局布线

2019年06月17日 09:49:53 中国传动网

工程课程一般不会教授如何实现良好的电路板布局布线。高频RF类课程会研究走线阻抗的重要性,但需要自行构建系统电源的工程师,通常不会将电源视为高频系统,而忽视了电路板布局布线的重要性。

了解本文所述电路板布局布线准则背后的理由并严格遵守,将能够把开关模式电源的任何PCB相关问题降到最小。

开关模式电源用于将一个电压转换为另一个电压。这种电源的效率通常很高,因此,在许多应用中,它取代了线性稳压器。

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开关频率与开关转换

开关模式电源以一定的开关频率工作。开关频率既可以是固定的(例如在PWM型控制中),也可以根据某些因素而变化(例如在PFM或迟滞型控制中)。

无论何种情况,开关模式电源的工作原理,都在于它有一定的开启时间Ton和一定的关闭时间Toff.一个50%占空比的典型开关周期。这意味着,在完整周期T的50%时间里,转换器中有某一电流;在另外50%时间里,转换器中有不同的电流。

当我们考虑系统噪声时,实际的开关频率(换言之,周期长度T)并不是很重要。如果它在系统的敏感信号频率范围内,开关频率或其谐波可能会影响系统。但一般而言,开关频率并不是影响系统的最大因素。

在开关模式电源中,真正重要的是开关转换的速度。我们可以看到开关转换在时间标度上的放大图。在周期T为2us的时间标度上,对于500kHzPWM开关频率,转换看起来像是一条垂直线。但放大后,我们可以看到,开关转换通常需要30到90ns的时间。

为什么良好的PCB布局布线非常重要?

每2.5cmPCB走线具有大约20nH的走线电感。确切的电感值取决于走线的厚度、宽度和几何形状,但根据经验,一般取20nH/2.5cm切实可行。

假设一个降压稳压器提供5A的输出电流,我们将会看到电流从0A切换到5A.当开关电流很大且开关转换时间很短时,我们可以利用下面的公式,计算微小的走线电感会产生多大的电压偏移:

假设走线长2.5cm(20nH),输出电流为5A(降压稳压器中的5A开关电流),MOSFET功率开关的转换时间为30ns,那么电压偏移将是3.33V.

由此可见,仅仅2.5cm的走线电感就能产生相当大的电压偏移。这种偏移甚至常常导致开关模式电源完全失效。将输入电容放在离开关稳压器输入引脚几厘米的地方,通常就会导致开关电源不能工作。在布局布线不当的电路板上,如果开关电源仍能工作,它将产生非常大的电磁干扰(EMI)。

在上面的公式中,我们唯一能改变的参数是走线电感。我们可以使走线尽可能短,从而降低走线电感。较厚的铜线也有助于降低电感。由于负载所需的功率固定,因此我们无法改变电流参数。对于转换时间而言,我们可以改变,但一般不想改变。

减慢转换时间可以降低产生的电压偏移,从而降低EMI,但是开关损耗却会提高,我们将不得不以较低的开关频率并利用昂贵而庞大的电源器件工作。

找到交流电流走线

在开关模式电源的PCB布局布线中,最重要的准则是以某种方式使交流走线尽可能短。

如果能认真遵守这一准则,良好的电路板布局布线可以说已经成功了80%.为了找到这些在很短的时间(转换时间)内将电流从“满电流”变为“无电流”的交流走线,我们将原理图绘制了三次。

它是一个简单的降压型开关模式电源。在顶部的原理图中,我们用虚线画出了开启时间内电流的流动。在中间的原理图中,我们用虚线画出了关闭时间内电流的流动。底部的原理图特别值得注意。这里,我们画出了电流从开启时间变为关闭时间的所有走线。

通过这种方法,我们可以轻松找到任何开关模式电源拓扑结构的交流电流走线。

在评估现有的电路板布局布线时,一个好的办法是将其打印在纸上,并放上一张透明的塑料板,然后用不同颜色的笔,画出开启时间和关闭时间内的电流流向及相应的交流走线。

虽然我们倾向于认为,能够在头脑中完成这一相对简单的工作,但在思维过程中,我们常常会犯一些小错误,因此,强烈建议在纸上绘出走线。

实现良好的PCB布局布线

降压稳压器的交流走线。必须注意,某些接地走线也是交流走线,同样需要保持尽可能短。此外,对于这些交流电流路径,建议不要使用任何过孔,因为过孔的电感也相当高。对于这一规则,仅有非常少的例外情况。

如果交流路径不使用过孔,将实际导致比过孔本身更大的走线电感,那么建议使用过孔。多个过孔并联优于仅使用单个过孔。

电感的特殊考虑

在EMI方面,我们也必须考虑电感。实际器件并不像许多人认为的那样对称。电感有一个磁芯,磁芯周围绕着电线。绕组总有一个起始端和一个结束端。

起始端连接到电感的内绕组,结束端从电感的外绕组接出。绕组的起始端通常在器件上标有一个圆点。将起始端连接到高噪声开关节点,将结束端连接到安静的电压非常重要。对于降压稳压器,安静的电压就是输出电压。

这样,外绕组上的固定电压,可以在电气上屏蔽内绕组上的交流开关节点电压,从而电源的EMI将会较低。

顺便提一下,所谓的屏蔽电感也是如此。具有一定磁导率的屏蔽电感的外部,确实使用了某种屏蔽材料,该材料会收紧封装侧的大部分磁力线。然而,这种材料只能抑制磁场,而不能抑制电场。

外绕组上的交流电压主要是电气或容性耦合引起的问题,屏蔽电感的屏蔽材料没有抑制此类耦合。因此,屏蔽电感也应放在电路板上,以便将高噪声开关节点连接到绕组起始端,从而将EMI降到最低。

开关模式电源良好电路板布局布线的基础

工程课程一般不会教授如何实现良好的电路板布局布线。高频RF类课程会研究走线阻抗的重要性,但需要自行构建系统电源的工程师,通常不会将电源视为高频系统,而忽视了电路板布局布线的重要性。

电路板布局布线不当引起的大多数问题,都可以归结为未控制交流电流走线尽可能短并且紧凑。了解本文所述电路板布局布线准则背后的理由并严格遵守,将能够把开关模式电源的任何PCB相关问题降到最小。


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