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​大功率可调开关电源设计的PCB布局布线方案

大功率可调开关电源用于将一个电压变换为另一个电压。这种电源的功率一般很高,因而,在许多使用中,它替代了线性稳压器。

开关频率与开关变换

大功率可调开关电源以必定的开关频率作业。开关频率既可以是固定的(例如在PWM型操控中),也可以依据某些要素而变化(例如在PFM或迟滞型操控中)。不管何种情况,大功率可调开关电源的作业原理,都在于它有必定的敞开时刻Ton和必定的封闭时刻Toff.一个50%占空比的典型开关周期。这意味着,在完好周期T的50%时刻里,变换器中有某一电流;在另外50%时刻里,变换器中有不同的电流。

当我们考虑体系噪声时,实践的开关频率(换言之,周期长度T)并不是很重要。如果它在体系的灵敏信号频率范围内,开关频率或其谐波可能会影响体系。但一般来说,开关频率并不是影响体系的最大要素。

在大功率可调开关电源中,真实重要的是开关变换的速度。我们可以看到开关变换在时刻标度上的扩大图。在周期T为2us的时刻标度上,关于500kHz PWM开关频率,变换看起来像是一条垂直线。但扩大后,我们可以看到,开关变换一般需求30到90ns的时刻。

为什么杰出的PCB布局布线十分重要?

每2.5cm PCB走线具有大约20nH的走线电感。切当的电感值取决于走线的厚度、宽度和几何形状,但依据经历,一般取20nH/2.5cm切实可行。假定一个降压稳压器供给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变换时刻很短时,我们可以使用下面的公式,核算细小的走线电感会发生多大的电压偏移:

假定走线长2.5cm(20nH),输出电流为5A(降压稳压器中的5A开关电流),MOSFET功率开关的变换时刻为30ns,那么电压偏移将是3.33V。

由此可见,只是2.5cm的走线电感就能发生适当大的电压偏移。这种偏移乃至常常导致大功率可调开关电源彻底失效。将输入电容放在离开关稳压器输入引脚几厘米的地方,一般就会导致开关电源不能作业。在布局布线不妥的电路板上,如果开关电源仍能作业,它将发生十分大的电磁搅扰(EMI)。

在上面的公式中,我们仅有能改动的参数是走线电感。我们可以使走线尽可能短,然后下降走线电感。较厚的铜线也有助于下降电感。由于负载所需的功率固定,因而我们无法改动电流参数。关于变换时刻而言,我们可以改动,但一般不想改动。减慢变换时刻可以下降发生的电压偏移,然后下降EMI,可是开关损耗却会进步,我们将不得不以较低的开关频率并使用贵重而庞大的电源器材作业。

找到交流电流走线

在大功率可调开关电源的PCB布局布线中,最重要的原则是以某种方法使交流走线尽可能短。如果能认真恪守这一原则,杰出的电路板布局布线可以说现已成功了80%.为了找到这些在很短的时刻(变换时刻)内将电流从"满电流"变为"无电流"的交流走线,我们将原理图制作了三次。它是一个简略的降压型大功率可调开关电源。

在顶部的原理图中,我们用虚线画出了敞开时刻内电流的活动。在中心的原理图中,我们用虚线画出了封闭时刻内电流的活动。底部的原理图特别值得注意。这儿,我们画出了电流从敞开时刻变为封闭时刻的一切走线。

通过这种方法,我们可以轻松找到任何大功率可调开关电源拓扑结构的交流电流走线。

在评价现有的电路板布局布线时,一个好的方法是将其打印在纸上,并放上一张通明的塑料板,然后用不同颜色的笔,画出敞开时刻和封闭时刻内的电流流向及相应的交流走线。尽管我们倾向于以为,可以在头脑中完结这一相对简略的作业,但在思想过程中,我们常常会犯一些小错误,因而,强烈主张在纸上绘出走线。

完成杰出的PCB布局布线

降压稳压器的交流走线。有必要注意,某些接地走线也是交流走线,相同需求保持尽可能短。此外,关于这些交流电流途径,主张不要使用任何过孔,由于过孔的电感也适当高。关于这一规则,仅有十分少的例外情况。如果交流途径不使用过孔,将实践导致比过孔自身更大的走线电感,那么主张使用过孔。多个过孔并联优于仅使用单个过孔。

选用ADI公司ADP2300降压稳压器的电路板的布局布线示例。我们检查一下,图中的交流走线是否是按绝对最短的途径布设。

衔接A是按照尽可能短的途径布设,由于C2的高侧衔接可以以最短的走线衔接到开关MOSFET(ADP2300的引脚5,即Vin引脚)。

衔接B是引脚6(SW引脚)与二极管D1的阴极侧之间的走线。我们相同看到该走线尽可能短,以下降走线电感。

衔接C是二极管D1的阳极与C2的接地衔接之间的走线。这两个器材的焊盘彼此相邻,具有最低的走线电感。此外,这也有利于该交流电流不通过安静的接地层。接地层应仅用作基准电压,最好没有电流(特别是没有交流电流)流过接地层。C2旁边的过孔将PCB顶层的接地区域衔接到底层的地,但没有交流电流流经这些过孔。

电感的特别考虑

在EMI方面,我们也有必要考虑电感。实践器材并不像许多人以为的那样对称。电感有一个磁芯,磁芯周围绕着电线。绕组总有一个开始端和一个完毕端。开始端衔接到电感的内绕组,完毕端从电感的外绕组接出。图4所示为典型的鼓式电感的示意图。绕组的开始端一般在器材上标有一个圆点。将开始端衔接到高噪声开关节点,将完毕端衔接到安静的电压十分重要。关于降压稳压器,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,然后电源的EMI将会较低。

趁便提一下,所谓的屏蔽电感也是如此。具有必定磁导率的屏蔽电感的外部,确实使用了某种屏蔽资料,该资料会收紧封装侧的大部分磁力线。但是,这种资料只能按捺磁场,而不能按捺电场。外绕组上的交流电压主要是电气或容性耦合引起的问题,屏蔽电感的屏蔽资料没有按捺此类耦合。因而,屏蔽电感也应放在电路板上,以便将高噪声开关节点衔接到绕组开始端,然后将EMI降到最低。

大功率可调开关电源杰出电路板布局布线的根底

工程课程一般不会教授怎么完成杰出的电路板布局布线。高频RF类课程会研讨走线阻抗的重要性,但需求自行构建体系电源的工程师,一般不会将电源视为高频体系,而忽视了电路板布局布线的重要性。电路板布局布线不妥引起的大多数问题,都可以归结为未操控交流电流走线尽可能短而且紧凑。了解本文所述电路板布局布线原则背面的理由并严格恪守,将可以把大功率可调开关电源的任何PCB相关问题降到最小。

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