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开关电源与IC控制器的PCB设计分析

原创 韬略科技EMC 2019-11-22 18:00
汽车照明的秘密武器，竟然是…… UCIe 2.0协议“死磕指南”！Avery VIP如何实现0缺陷互连？

本期专家：杜佐兵

电磁兼容（EMC）线上&线下高级讲师

杜佐兵老师在电子行业从业近20年，是国家电工委员会高级注册EMC工程师，武汉大学光电工程学院、光电子半导体激光技术专家。目前专注于电子产品的电磁兼容设计、开关电源及LED背光驱动设计。

01

前言

我们电子产品往往60%以上-可靠性方面的问题都出现在电子线路板的PCB设计上；工作及性能良好的PCB需要相关的理论及实践经验；我在产品的设计实践中经常碰到各种各样的问题；比如电子线路板不能通过系统EMS的测试标准，测试关键器件IC的功能引脚时出现高频噪声的问题，电路功能IC引脚检测到干扰噪声进行异常保护等等。通过不断的理论与实践结合；用实战检验我们的理论和实践的差异点！优良的设计跟长期的经验总结是密不可分的！！
我分享一下开关电源与IC控制器PCB设计思路给电子设计爱好者参考。


02


开关电源通过以下的原理示意图分享设计总体原则

图示为我们常用的两种开关电源的拓扑结构。

A.开关电源拓扑主电流回流路径面积最小化；驱动脉冲电流回路最小化。

B.对于隔离开关电源拓扑结构，电流回路被变压器隔离成两个或多个回路（原边和副边），电流回路要分开最小回流面积布局布线设计。

C.如果电流回路有多个接地点，那么接地点要与中心接地点重合。

D.实际设计时，我们会受到条件的限制；如果2个回路的电容可能不好近距离的共地！

设计的关键点：
我们就要采用电气并联的方式就近增加一个高频电容达成共地（如图红色虚线）！

03


开关电源-IC控制器与主回路系统的PCB设计思路
如下图为-开关电源的辅助电源给IC控制器供电，IC控制器控制LED的负载并进行调光及其它功能的控制应用。 其控制器的供电及驱动回路的设计会影响系统的功能及可靠性。

通过图示IC控制器-PCB布局布线的设计思路如下：
A1.IC周边器件的地走线优先布局布线后连接到IC-gnd；
A2.IC-gnd再连接到滤波电容C1（高频电容-低容值）的接地端，此地可能与电源的拓扑结构的GND拉开距离；即与图示中并联的电解电容En
A3.IC-控制中心的gnd要单点接地！IC-gnd单独连接到C1电容的地端
关键环路
B.主电源回路路径的最小化设计原则
C.拓扑电流回路路径最小化设计原则
D.脉冲驱动回路路径最小化设计原则
注意条件受限时：电源的主回路与拓扑回路的电容可能不共地，我们可以采用电气并联的方式就近增加一个高频电容达成共地！
04


我以具体BOOST的LED驱动架构的PCB布局布线进行实战分析
设计基本思路如上所述；用下图进行细节分析:

B1.IC周边器件的地走线优先布局布线后连接到IC-gnd；
B2.IC-gnd再连接到滤波电容C1（高频电容-低容值）的接地端，此地可能与电源的拓扑结构的GND拉开距离；即与图示中并联的电解电容En
B3.IC-控制中心的gnd要单点接地！IC-gnd单独连接到C1电容的地端再连接出去。设计机理分析：
图中的供电电源的Iv可能会较大（跟负载有关）
注意1：在图中Iv的电流方向跟驱动电路Ig的电流方向正好相反（它是C1/En的输入电流）；在图示中如果其接地点不先连接到gnd,而是先连到GND，将会在GND-gnd连接线上形成Iv电流回路，使Ig上叠加Iv会导致驱动被干扰的情况。
 
注意2：在图中的IC控制器驱动MOS器件后均会有采用反馈电路-同时有设计RC电路参数到IC引脚；参考电路如下：FB1/FB2与CS1/CS2为采样反馈电路到IC；通常由于PCB布局的原因走线较长时其引脚的高频滤波电容就变得非常重要；实战原理图&PCB如下：

IC控制器相关的PCB设计参考如下图：我们采用高亮地走线的方法进行分析：

按照IC控制器-PCB布局布线的设计思路进行检查；
C1.IC周边器件的地走线优先布局布线后连接到IC-GND/基本OK;
C2.IC-GND再连接到滤波电容C1（高频电容-低容值）的接地端，此地可能与电源的拓扑结构的GND拉开距离；即与图示中并联的电解电容En/ OK;
C3.IC-控制中心的gnd要单点接地/ OK
C4.用示波器用20MHZ带宽再来测量 关键信号IC-驱动DRV 及IC-采样FB1/FB2/CS1/CS2的噪声电压情况；在上图中测试时发现FB2引脚 存在小的噪声电压 而FB1基本没有噪声电压。
C5.检查PCB中FB1 与FB2为同功能引脚在IC的同一侧其GND没有直接向连接，FB2通过长的跳线J27回到IC-GND同时IC-GND引脚紧邻的是IC-DRV引脚。
进行如下PCB优化：

将上图中的FB2-GND走线与FB1-GND走线直接连接；同时断开J27连接线；
再进行噪声电压测试；系统关键引脚均测试不到噪声电压波形数据，系统有最佳的PCB性能及更高的可靠性设计！
 
实战经验总结：
A. 可能存在多种原因，IC供电电源有多种应用功能连接。
注意：到驱动IC电路的滤波电容C1-正端的输入输出及连接地都需要分开走线；其它电路单元的电流一般比较弱，如果连接到其它地方 则会使GND-连线上较强的驱动Ig脉冲电流叠加到自己的地线上；控制电路也会被驱动干扰到！因此IC其它各个电路的地线无论怎么绕均应分别走线到gnd单点接地！否则除了上述原因强电流回路串进自己的地线形成干扰外，还可能通过共用的地线相互干扰！
B. IC控制的GND要避免形成环路；IC同侧引脚的相同功能引脚的GND走线要
连接在一起连接到IC-GND；尽量避免布置长跳线的GND走线;IC-控制中心的gnd要单点接地。
C.电子线路板EMS的问题与PCB的地走线，地回路，接地的位置及接地点方式有关！


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