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PCB开关电源设计技巧

硬件笔记本 2023-03-31 07:40
精密双向电流感应放大器设计方案 构建AI未来，Arm计算平台无处不在

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一、开关电源电路 4 个组成部分
首先，要设计开关电源电路，就需要明确的电路要求和规格，电源有 4个重要部分：
  • 1、输入和输出过滤器
  • 2、用于驱动器的驱动器电路和相关组件，尤其是控制电路。
  • 3、开关电感器或变压器
  • 4、输出桥和相关的滤波器

1、输入和输出过滤器
输入和滤波器部分是嘈杂或未调节的电源线连接到电路的地方。
因此，输入滤波电容需要与输入连接器和驱动电路保持均匀的间距，必须始终使用较短的连接长度将输入部分与驱动器电路连接起来。

上图中突出显示的部分表示滤波电容的紧密放置



2、用于驱动器的驱动器电路和相关组件，尤其是控制电路。
驱动器主要由内部 MOSFET 组成，有时也外接开关 MOSFET。开关线总是以非常高的频率打开和关闭，并产生非常嘈杂的电源线。这部分总是需要与所有其他连接分开。
例如，直接连接到变压器的高压直流线路（对于反激式 SMPS）或直接连接到功率电感器的直流线路（基于降压或升压拓扑的开关稳压器）应该分开。
在下图中，突出显示的信号是高压直流线，信号以与其他信号分离的方式路由。

突出显示的信号是高压直流线，信号以与其他信号分离的方式路由


开关模式电源设计中最嘈杂的线路之一是驱动器的漏极引脚，无论是AC 到 DC 反激设计，还是基于降压、升压或降压-升压拓扑的低功率开关电源设计。它总是需要与所有其他连接分开并且需要非常短，因为这种类型的路由通常携带非常高频的信号。将此信号线与其他信号线隔离的最佳方法是通过铣削或尺寸层使用 PCB 切口。
在下图中，显示了与光耦合器保持安全距离的隔离漏极引脚连接，并且 PCB 切口将消除来自其他路由或信号的任何干扰。

与光耦合器保持安全距离的隔离漏极引脚连接

另一个重要的一点是，驱动器电路几乎总是具有非常敏感的反馈或感测线（有时不止一条，例如输入电压感测线、输出感测线），并且驱动器操作完全依赖于感测反馈。任何类型的反馈或感测线的长度都应该更短，以避免噪声耦合。这些类型的线路总是需要与电源、开关或任何其他嘈杂的线路分开。
下图显示了从光耦合器到驱动器的单独反馈线。

从光耦合器到驱动器的单独反馈线。
不仅如此，驱动电路还可以具有控制驱动电路操作所需的多种类型的元件，例如电容器、RC滤波器。这些组件需要靠近驱动器放置。

3、开关电感器或变压器
开关电感是任何电源板中仅次于大容量电容的最大可用组件。一种糟糕的设计是在电感引线之间布线任何类型的连接。重要的是不要在电源或滤波器电感焊盘之间路由任何信号。

电子元器件图片
此外，无论何时在电源中使用变压器，尤其是在 AC-DC SMPS 中，该变压器的主要用途是隔离输入与输出。初级和次级焊盘之间需要足够的距离。增加爬电距离的一种最佳方法是使用铣削层应用 PCB 截止。切勿在变压器引线之间使用任何类型的布线。

开关变压器之间的PCB 切断




4、输出桥和相关的滤波器
输出电桥是一个大电流肖特基二极管，根据负载电流散热。在少数情况下，需要使用铜平面在 PCB 本身中创建 PCB 散热器。散热器效率与 PCB 铜面积和厚度成正比。
PCB 中常用的铜厚度有两种，35 微米和70 微米。厚度越高，热连接性越好，PCB 散热片面积越小。如果 PCB 是双层的，并且 PCB 中有些加热空间不可用，则可以使用铜平面的两侧，并可以使用公共通孔连接这两侧。
下图是在底层创建的肖特基二极管的 PCB 散热器示例。

底层创建的肖特基二极管的 PCB 散热器示例

紧接在肖特基二极管之后的滤波电容需要非常靠近变压器或开关电感放置，以使通过电感器、桥式二极管和电容器的电源回路变得非常短。这样，可以降低输出纹波。
下图是从变压器输出到桥式二极管和滤波电容器的短回路示例。

从变压器输出到桥式二极管和滤波电容器的短回路示例



二、开关电源电路 PCB 设计布局技巧

有一些基本的开关电源电路 PCB 布局规则需要遵循，这样可以保证 PCB 设计具有 低噪声、低辐射 EMI 并保持在低温下。
具体有以下几点：
  • 尽量通过适当地定义接地，在 PCB 布局中放置短路路径以及在 PCB 中布置电隔离来保持低 EMI，从而减少噪声耦合。
  • 如果布局中存在噪声、需要包络跟踪等功能或者特定的噪声导致设计出现问题，则在需要时使用适当的输入和输出 EMI 滤波器电路。
  • 使用大量铜为重要组件的散热提供路径，如果需要，你可以考虑独特的外壳设计，以及热组件上的散热器或风扇。
  • 放置快速开关、大电流电路，例如 mos 管阵列，防止在开关电源设计期间出现寄生振荡。
1、定义地面时要小心
要考虑的第一个开关模式电源 PCB 布局指南是如何在布局中定义接地。在设计开关电源电路时，请记住存在五个接地点。这些可以分成不同的导体以确保电流隔离。这些是：
  • 输入大电流源地
  • 输入大电流电流回路接地
  • 输出大电流整流器地
  • 输出大电流负载地
  • 低位控制地
这些接地连接中的每一个都可能存在于物理上独立的导体中，具体取决于转换器、整流器或稳压器电路中对电流隔离的需要。
如果接地电容耦合，你的电源电路可能会接收共模噪声，例如通常通过附近的导电外壳发生。PCB 中的接地区域应在隔离元件的每一侧明确定义，例如：
如果出于某种原因确实需要桥接接地以消除一些直流偏移，则 Y 级电容是最佳选择，因为它可以提供高频滤波并消除接地区域之间的直流偏移。
在某些开关转换器应用中，Y 级电容可用于桥接接地。

在某些开关转换器应用中，Y 级电容可用于桥接接地

每个大电流接地都用作电流回路的一个分支，但应将其布置为为电流提供低阻抗返回路径。这可能需要多个通孔返回接地层，以允许具有低等效电感的高电流。
这些点及其相对于系统接地的电位成为测量在电路不同点之间传导的直流和交流信号的点。由于需要防止大电流交流地的噪声溢出，适当的滤波电容的负端作为大电流地的连接点。
定义地面区域的最佳做法是使用大平面或多边形浇筑。这些区域提供了低阻抗路径以将噪声从直流输出中消散，并且它们可以处理高返回电流。它们还提供了在需要时远离重要组件的热量传输路径。
在两侧放置接地层可吸收辐射 EMI、降低噪声并减少接地回路误差。在作为静电屏蔽和消散涡流中的辐射 EMI 的同时，接地层还将电源层的电源走线和组件与信号层组件分开。
  • 设计中的接地区域可以根据其功能赋予多个名称。在你的设计中定义接地区域时要小心，并确保将它们正确连接在一起。
  • 接地层在电源 PCB 布局之外的系统中也很重要。确保将连接定义为具有低阻抗而不影响装配。
  • 共模噪声和传导纹波是 PCB 布局中的主要噪声源，当噪声极端时，它们会导致设计无法通过 EMI 测试。
  • 电源和接地层提供低阻抗连接，同时提供远离系统重要部分的散热路径。

电源和接地层提供低阻抗连接，同时提供远离系统重要部分的散热路径
电源和接地层提供低阻抗连接，同时提供远离系统重要部分的散热路径。

2、减少开关电源 PCB 布局的接地反弹
首先，接地填充是必不可少的，分离电源电路中的不同接地层是另一个最重要的事情。
从电路的角度来看，开关电源可以为所有组件提供一个公共接地，但在 PCB 设计阶段并非如此。
根据 PCB 设计的角度，地分为两部分。第一部分是电源地，第二部分是模拟或控制地。这两个地具有相同的连接，但有很大的不同。与驱动电路相关的组件使用模拟或控制接地。这些组件使用创建低电流返回路径的接地层，
另一方面，电源地承载高电流返回路径。电源组件噪声很大，如果直接连接到同一地线，可能会导致控制电路出现不确定的接地反弹问题。下图显示了模拟和控制电路如何在单层 PCB 中与 PCB 的其他电源线完全隔离。

模拟电路和控制电路与其他电源线完全隔离

这两个部分需要分开，并且应该在特定区域中连接。
如果 PCB 是双层的，这很容易，就像顶层可以用作控制地，所有控制电路都应该连接在顶层的公共接地层中。另一方面，底层可以用作电源地，所有有噪声的组件都应该使用这个地平面。但是这两个接地是相同的连接并且在原理图中连接。现在，为了连接顶层和底层，可以使用通孔在一个地方连接两个接地层。例如，见下图——

使用通孔在一个地方连接两个接地层

驱动器的上面部分有所有电源滤波器相关的电容它们使用一个单独的接地层，称电源为 GND，但驱动器 IC 的下面部分是所有控制相关的组件，使用一个单独的控制 GND。两个接地是相同的连接，但单独创建。两个 GND 连接然后通过驱动器 IC 连接。

3、设计开关动作
开关电源电路通过在截止操作状态和饱和操作状态之间快速切换通路单元并向输出负载提供恒定功率来操作。
在截止时，通过单元上存在高电压，但没有电流流动。在饱和时，高电流以非常小的电压降流过通路单元。因为半导体开关从直流输入电压产生交流电压，所以开关电源电路可以通过变压器升压或降压电压，然后在输出端将电压过滤回直流电。
脉宽调制 (PWM) 开关电源可以在正向模式或升压模式下运行。正向模式电源在输出端有一个 LC 滤波器，它根据从滤波器获得的输出的电压时间平均值产生一个直流输出电压。为了控制信号的电压时间平均值，开关电源控制器改变输入矩形电压的占空比。

4、降压转换与升压转换
当电源开关打开时，升压转换器模式电源直接在输入电压源上连接一个电感。电感电流从零开始增加，并在关闭电源开关的同时达到峰值。输出整流器钳位电感输出电压并防止电压超过电源输出电压。当存储在电感核心中的能量传递到输出电容时，电感的开关端会回落到输入电压的电平。
同时，降压转换器模式电源使用相同的组件，但采用不同的拓扑结构，以将电感的反电动势钳位在低于输入电压的水平。开关动作提供与升压转换器相同的效果，其中输出电流与充电/放电电容竞争振荡，从而能够调节输出功率。
两种类型的稳压器/转换器拓扑都允许开关噪声传播到设计中的输出端口，这可以看作是输出上的高频纹波。
降压和升压转换器布局可以承载需要大多边形来容纳热量并防止功率损耗的大电流。

降压和升压转换器布局




5、电源路由有助于确保低噪声运行
开关电源会传导高频噪声，直到噪声频率达到开关频率的大约 100 倍。然后，噪声频率以每十倍频 -20 到 -40 dB 的速度下降。由于开关稳压器在“开”和“关”电源状态下运行，具有尖锐边缘的大电流脉冲会在开关电源电路中流动，从而产生 EMI。
ON 和 OFF 电源状态之间的转换会产生 EMI，如果电源布局中的电流环路太大，可能会在系统的其他地方感应到。开关电源电路由电源开关回路和输出整流器回路组成，这些回路需要正确布线以防止噪声过大。
布置电源时，要特别注意环路的周长以及走线的长度和宽度，使环路周长保持较小可以消除环路用作低频噪声天线的可能性。从电路效率的角度来看，更宽的走线还为电源开关和整流器提供了额外的散热。
你可以使用主动路由路由引擎来实现人工路由结果，并安排组件以允许切换电流回路以相同方向进行。由于电流回路沿相同方向传导，控制电路耦合到布局中的特定点。因此，磁场不能沿着位于两个半周期之间的走线反向并产生辐射 EMI。
  • 使用电源布局时，应使处理高开关电流的走线短、直且粗。IPC 标准可用于计算推荐的走线宽度，但经验法则是每安培的最小宽度为 15 密耳。
  • 开关电源电路 中的 EMI 滤波器可抑制由直流输入和输出接线中传导的高频电流引起的高频噪声。
下图 PCB 布局中的组件紧密相连，并使用短而直接的走线进行布线。

PCB布局
此 PCB 布局中的组件紧密相连，并使用短而直接的走线进行布线。

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