收藏本站 The Best Quality of Power Equipment

非隔离式大功率直流电源的PCB布局解析

一个杰出的布局规划可优化功率,减缓热应力并尽量减小走线与元件之间噪声效果。这一切都源于规划人员对电中流传导途径以及信号的了解。当一块原型大功率直流电源板初次运用时,最好的情况是它不只能作业,并且还安静、发热低。可是这种并不多见。

大功率直流电源的一个常见问题是 “不安稳 ”的开关波形。有些时分,抖动处于声段磁性元件会发生出音频噪声。如果问题在印刷电路板的布局上, 要找原因可能会很困难,因而,大功率直流电源规划初期的正确PCB布局就非常要害。

一个好的布局规划可优化大功率直流电源功率,减缓热应力;更重要的是,它最大极限地减小了噪声,以及走线与元件之间的相互效果。为完成这些目标,规划者有必要了解大功率直流电源内部的电流传导途径及信号流。就非阻隔大功率直流电源的正确布局规划,本文给出一些经验总结。

布局规划
对一块大电路板上的嵌入dc/dc大功率直流电源,要取得最佳的电压调节、负载瞬态响应和体系功率,就要使大功率直流电源输出接近负载器材,尽量削减PCB走线上的互连阻抗和传导压降。保证有杰出的空气流,约束热应力;如果能选用强制气冷办法,则要将大功率直流电源接近电扇方位。

别的,大型无源元件(如电感和电解电容)均不得阻挠气流经过矮小的外表封装半导体元件,如功率MOSFET或PWM操控器。为防止开关噪声搅扰到体系中的模仿信号,应尽可能防止在大功率直流电源下方布放灵敏信号线;不然,就需要在大功率直流电源层和小信号层之间放置一个内部接地层,用做屏蔽。

要害是要在体系前期规划和规划阶段就谋划好大功率直流电源的方位及对电路板空间的需求。有时规划者会无视这种劝告,而把关注点放在大型体系板上那些更“重要”或“让人振奋”的电路。大功率直流电源管理被看作过后作业,随便把大功率直流电源放在电路板上的剩余空间上,这种做法对高功率而牢靠的大功率直流电源规划非常晦气。

关于多层板,很好的办法是在大电流的功率元件层与灵敏的小信号走线层之间布放直流地或直流输入/输出电压层。地层或直流电压层供给了屏蔽小信号走线的沟通地,使其免受高噪声功率走线和功率元件的搅扰。

作为一般规则,多层PCB板的接地层或直流电压层均不应被分离隔。如果这种分隔不可防止,就要尽量削减这些层上走线的数量和长度,并且走线的布放要与大电流坚持相同的方向,使影响最小化。

下图中的a和c别离是六层和四层大功率直流电源PCB的不良层结构。这些结构将小信号层夹在大电流功率层和地层之间,因而添加了大电流/电压功率层与模仿小信号层之间耦合的电容噪声。
大功率直流电源PCB的布局结构   
图1 大功率直流电源PCB的布局结构

上图中的b和d则别离是六层和四层PCB规划的杰出结构,有助于最大极限削减层间耦合噪声,地层用于屏蔽小信号层。要害是:一定要挨着外侧功率级层放一个接地层,外部大电流的功率层要运用厚铜箔,尽量削减PCB传导损耗和热阻。

功率级的布局
大功率直流电源电路能够分为功率级电路和小信号操控电路两部分。功率级电路包含用于传输大电流的元件,一般情况下,要首要布放这些元件,然后在布局的一些特定点上布放小信号操控电路。

大电流走线应短而宽,尽量削减PCB的电感、电阻和压降。关于那些有高di/dt脉冲电流的走线,这方面特别重要。

下图给出了一个同步降压转换器中的接连电流途径和脉冲电流途径,实线表示接连电流途径,虚线代表脉冲(开关)电流途径。脉冲电流途径包括衔接到下列元件上的走线:输入去耦陶瓷电容CHF;上部操控FET QT;以及下部同步FET QB,还有选接的并联肖特基二极管。
给出了高di/dt电流途径中的PCB寄生电感。

图3a给出了高di/dt电流途径中的PCB寄生电感。因为存在寄生电感,因而脉冲电流途径不只会辐射磁场,并且会在PCB走线和MOSFET上发生大的电压振铃和尖刺。为尽量减小PCB电感,脉冲电流回路(所谓热回路)布放时要有最小的圆周,其走线要短而宽。

高频去耦电容CHF应为0.1μF~10μF,X5R或X7R电介质的陶瓷电容,它有极低的ESL(有用串联电感)和ESR(等效串联电阻)。较大的电容电介质(如Y5V)可能使电容值在不同电压和温度下有大的下降,因而不是CHF的最佳资料。

图3b为降压转换器中的要害脉冲电流回路供给了一个布局比如。为了约束电阻压降和过孔数量,功率元件都布放在电路板的同一面,功率走线也都布在同一层上。当需要将某根大功率直流电源线走到其它层时,要挑选在接连电流途径中的一根走线。当用过孔衔接大电流回路中的PCB层时,要运用多个过孔,尽量减小阻抗。

图4显现的是升压转换器中的接连电流回路与脉冲电流回路。此刻,应在接近MOSFET QB与升压二极管D的输出端放置高频陶瓷电容CHF。

图5是升压转换器中脉冲电流回路的一个布局比如。此刻要害在于尽量减小由开关管QB、整流二极管D和高频输出电容CHF构成的回路。
升压转换器中脉冲电流回路布局

图5 升压转换器中脉冲电流回路布局

图5显现的是升压转换器中的热回路与寄生PCB电感(a);为削减热回路面积而主张选用的布局(b)。

图6供给了一个同步降压电路的比如,它强调了去耦电容的重要性。图6a是一个双相12VIN、2.5VOUT/30A(最大值)的同步降压大功率直流电源,运用了LTC3729双相单VOUT操控器IC.在无负载时,开关结点SW1和SW2的波形以及输出电感电流都是安稳的(图6b)。但如果负载电流超越13A,SW1结点的波形就开端丢掉周期。负载电流更高时,问题会更恶化(图6c)。
同步降压电路

图6 同步降压电路

在各个通道的输入端添加两只1μF的高频陶瓷电容,就能够处理这个问题,电容阻离隔了每个通道的热回路面积,并使之最小化。即使在高达30A的最大负载电流下,开关波形仍很安稳。

高DV/DT开关区
图2和图4中,在VIN(或VOUT)与地之间的SW电压摆幅有高的dv/dt速率。这个结点上有丰富的高频噪声重量,是一个强大的EMI噪声源。为了尽量减小开关结点与其它噪声灵敏走线之间的耦合电容,你可能会让SW铜箔面积尽可能小。可是,为了传导大的电感电流,并且为功率MOSFET管供给散热区,SW结点的PCB区域又不能够太小。一般主张在开关结点下布放一个接地铜箔区,供给额定的屏蔽。

如果规划中没有用于外表装置功率MOSFET与电感的散热器,则铜箔区有必要有足够的散热面积。关于直流电压结点(如输入/输出电压与大功率直流电源地),合理的办法是让铜箔区尽可能大。

多过孔有助于进一步下降热应力。要确定高dv/dt开关结点的适宜铜箔区面积,就要在尽量减小dv/dt相关噪声与供给杰出的MOSFET散热能力两者间做一个规划平衡。

操控电路布局
使操控电路远离高噪声的开关铜箔区。对降压转换器,好的办法是将操控电路置于接近VOUT+端,而对升压转换器,操控电路则要接近VIN+端,让功率走线承载接连电流。

如果空间答应,操控IC与功率MOSFET及电感(它们都是高噪声高热量元件)之间要有小的间隔(0.5英寸~1英寸)。如果空间紧张,被迫将操控器置于接近功率MOSFET与电感的方位,则要特别注意用地层或接地走线,将操控电路与功率元件阻离隔来。

操控电路应有一个不同于功率级地的独立信号(模仿)地。如果操控器IC上有独立的SGND(信号地)和PGND(功率地)引脚,则应别离布线。关于集成了MOSFET驱动器的操控IC,小信号部分的IC引脚应运用SGND.

信号地与功率地之间只需要一个衔接点。合理办法是使信号地返回到功率地层的一个洁净点。只在操控器IC下衔接两种接地走线,就能够完成两种田。

此焊盘应焊到PCB上,以尽量削减电气阻抗与热阻。应在接地焊盘区放置多个过孔。

回路面积与串扰
两个或多个附近导体能够发生容性耦合。一个导体上的高dv/dt会经过寄生电容,在另一个导体上耦合出电流。为削减功率级对操控电路的耦合噪声,高噪声的开关走线要远离灵敏的小信号走线。如果可能的话,要将高噪声走线与灵敏走线布放在不同的层,并用内部地层作为噪声屏蔽。

空间答应的话,操控IC要间隔功率MOSFET和电感有一个小的间隔(0.5英寸~1英寸),后者既有大噪声又发热。

走线宽度的挑选
对详细的操控器引脚,电流水平缓噪声灵敏度都是唯一的,因而,有必要为不同信号挑选特定的走线宽度。通常情况下,小信号网络能够窄些,选用10mil~15mil宽度的走线。大电流网络(栅极驱动、VCC以及PGND)则应宽一些,详细宽度依据电流巨细界说。

相关文章

021-51095123
扫描二维码关注我们

扫描二维码 关注我们