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      開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的PCB布局布線
      更新時(shí)間:2013-04-10   點(diǎn)擊次數(shù):4193次

       

      開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的PCB布局布線
      關(guān)鍵字:開(kāi)關(guān)電源 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器   PCB布局   PWM  
       開(kāi)關(guān)模式電源用于將個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為另個(gè)電壓。這種電源的效率通常很,因此,在許多應(yīng)用中,它取代了線穩(wěn)壓器。
        開(kāi)關(guān)頻率與開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換
        開(kāi)關(guān)模式電源以的開(kāi)關(guān)頻率工作。開(kāi)關(guān)頻率既可以是固定的(例如在PWM型中),也可以根據(jù)某些因素而變化(例如在PFM或遲滯型中)。無(wú)論何種情況,開(kāi)關(guān)模式電源的工作原理,都在于它有的開(kāi)啟時(shí)間Ton和的關(guān)閉時(shí)間Toff.1顯示了個(gè)5占空比的開(kāi)關(guān)周期。這意味著,在完整周期T5時(shí)間里,轉(zhuǎn)換器中有某電流;在另外5時(shí)間里,轉(zhuǎn)換器中有不同的電流。
       當(dāng)我們考慮系統(tǒng)噪聲時(shí),實(shí)際的開(kāi)關(guān)頻率(換言之,周期長(zhǎng)度T)并不是很重要。如果它在系統(tǒng)的敏感信號(hào)頻率范圍內(nèi),開(kāi)關(guān)頻率或其諧波可能會(huì)影響系統(tǒng)。但般而言,開(kāi)關(guān)頻率并不是影響系統(tǒng)的zui大因素。
        在開(kāi)關(guān)模式電源中,真正重要的是開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的速度。在圖1的下半部分,我們可以看到開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換在時(shí)間標(biāo)度上的放大圖。在周期T2us的時(shí)間標(biāo)度上,對(duì)于500kHz PWM開(kāi)關(guān)頻率,轉(zhuǎn)換看起來(lái)像是條垂直線,如圖1的上半部分所示。但放大后,如圖1的下半部分所示,我們可以看到,開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換通常需要3090ns的時(shí)間。
        為什么良好的PCB布局布線重要?
        每2.5cm PCB走線具有大約20nH的走線電感。確切的電感值取決于走線的厚度、寬度和幾何形狀,但根據(jù)經(jīng)驗(yàn),般取20nH/2.5cm切實(shí)可行。假設(shè)個(gè)降壓穩(wěn)壓器提供的輸出電流,我們將會(huì)看到電流從0A切換到.當(dāng)開(kāi)關(guān)電流很大且開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間很短時(shí),我們可以利用下面的公式,計(jì)算微小的走線電感會(huì)產(chǎn)生多大的電壓偏移:
        由此可見(jiàn),2.5cm的走線電感就能產(chǎn)生相當(dāng)大的電壓偏移。這種偏移甚至常常導(dǎo)致開(kāi)關(guān)模式電源失效。將輸入電容放在離開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸入引腳幾厘米的地方,通常就會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源不能工作。在布局布線不當(dāng)?shù)碾娐钒迳希绻_(kāi)關(guān)電源仍能工作,它將產(chǎn)生大的電磁干擾(EMI)。
        在上面的公式中,我們*能改變的參數(shù)是走線電感。我們可以使走線盡可能短,從而降低走線電感。較厚的銅線也降低電感。由于負(fù)載所需的功率固定,因此我們無(wú)法改變電流參數(shù)。對(duì)于轉(zhuǎn)換時(shí)間而言,我們可以改變,但般不想改變。減慢轉(zhuǎn)換時(shí)間可以降低產(chǎn)生的電壓偏移,從而降低EMI,但是開(kāi)關(guān)損耗卻會(huì)提,我們將不得不以較低的開(kāi)關(guān)頻率并利用昂貴而龐大的電源器件工作。
        找到交流電流走線
        在開(kāi)關(guān)模式電源的PCB布局布線中,zui重要的準(zhǔn)則是以某種方式使交流走線盡可能短。如果能認(rèn)真遵守這準(zhǔn)則,良好的電路板布局布線可以說(shuō)已經(jīng)成功了8.為了找到這些在很短的時(shí)間(轉(zhuǎn)換時(shí)間)內(nèi)將電流從"滿電流"變?yōu)?/span>"無(wú)電流"的交流走線,我們將原理圖繪制了三次。如圖2所示,它是個(gè)簡(jiǎn)單的降壓型開(kāi)關(guān)模式電源。在頂部的原理圖中,我們用虛線畫出了開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)電流的流動(dòng)。在中間的原理圖中,我們用虛線畫出了關(guān)閉時(shí)間內(nèi)電流的流動(dòng)。底部的原理圖特別值得注意。這里,我們畫出了電流從開(kāi)啟時(shí)間變?yōu)殛P(guān)閉時(shí)間的走線。
        圖2底部原理圖中的這些走線是交流走線,必須使其盡可能短,以降低寄生電感。
      通過(guò)這種方法,我們可以輕松找到開(kāi)關(guān)模式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交流電流走線。
        在評(píng)估現(xiàn)有的電路板布局布線時(shí),個(gè)好的辦法是將其打印在紙上,并放上張透明的塑料板,然后用不同顏色的筆,畫出開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間內(nèi)的電流流向及相應(yīng)的交流走線。雖然我們傾向于認(rèn)為,能夠在頭腦中完成這相對(duì)簡(jiǎn)單的工作,但在思維過(guò)程中,我們常常會(huì)犯些小錯(cuò)誤,因此,強(qiáng)烈建議在紙上繪出走線。
      實(shí)現(xiàn)良好的PCB布局布線
        圖2顯示了降壓穩(wěn)壓器的交流走線。必須注意,某些接地走線也是交流走線,同樣需要保持盡可能短。此外,對(duì)于這些交流電流路徑,建議不要使用過(guò)孔,因?yàn)檫^(guò)孔的電感也相當(dāng)。對(duì)于這規(guī)則,有少的例外情況。如果交流路徑不使用過(guò)孔,將實(shí)際導(dǎo)致比過(guò)孔本身大的走線電感,那么建議使用過(guò)孔。多個(gè)過(guò)孔并聯(lián)優(yōu)于使用單個(gè)過(guò)孔。
        圖3所示為采用ADI公司ADP2300降壓穩(wěn)壓器的電路板的布局布線示例。我們檢查下,圖中的交流走線是否是按zui短的路徑布設(shè)。圖2用字母AB、C表示了交流電流連接。
       圖3中的連接A是按照盡可能短的路徑布設(shè),因?yàn)?/span>C2的側(cè)連接能夠以zui短的走線連接到開(kāi)關(guān)MOSFETADP2300的引腳5,Vin引腳)。
        連接B是引腳6SW引腳)與二管D1的陰側(cè)之間的走線。在圖3中,我們同樣看到該走線盡可能短,以降低走線電感。
        連接C是二管D1的陽(yáng)與C2的接地連接之間的走線。這兩個(gè)器件的焊盤彼此相鄰,具有zui低的走線電感。此外,這也有利于該交流電流不經(jīng)過(guò)安靜的接地層。接地層應(yīng)用作基準(zhǔn)電壓,沒(méi)有電流(特別是沒(méi)有交流電流)流過(guò)接地層。C2旁邊的過(guò)孔將PCB頂層的接地區(qū)域連接到底層的地,但沒(méi)有交流電流流經(jīng)這些過(guò)孔。
        電感的特殊考慮
        在EMI方面,我們也必須考慮電感。實(shí)際器件并不像許多人認(rèn)為的那樣對(duì)稱。電感有個(gè)磁芯,磁芯周圍繞著電線。繞組總有個(gè)起始端和個(gè)結(jié)束端。起始端連接到電感的內(nèi)繞組,結(jié)束端從電感的外繞組接出。圖4所示為的鼓式電感的示意圖。繞組的起始端通常在器件上標(biāo)有個(gè)圓點(diǎn)。將起始端連接到噪聲開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn),將結(jié)束端連接到安靜的電壓重要。對(duì)于降壓穩(wěn)壓器,安靜的電壓就是輸出電壓。這樣,外繞組上的固定電壓,可以在電氣上內(nèi)繞組上的交流開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓,從而電源的EMI將會(huì)較低。
      4:電感的繞組起始端和結(jié)束端
       提下,所謂的電感也是如此。具有磁導(dǎo)率的電感的外部,確實(shí)使用了某種材料,該材料會(huì)收緊封裝側(cè)的大部分磁力線。然而,這種材料只能抑制磁場(chǎng),而不能抑制電場(chǎng)。外繞組上的交流電壓主要是電氣或容耦合引起的問(wèn)題,電感的材料沒(méi)有抑制此類耦合。因此,電感也應(yīng)放在電路板上,以便將噪聲開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到繞組起始端,從而將EMI降到zui低。
        開(kāi)關(guān)模式電源良好電路板布局布線的基礎(chǔ)
        工程課程般不會(huì)教授如何實(shí)現(xiàn)良好的電路板布局布線。頻RF類課程會(huì)研究走線阻抗的重要,但需要自行構(gòu)建系統(tǒng)電源的工程師,通常不會(huì)將電源視為頻系統(tǒng),而忽視了電路板布局布線的重要。電路板布局布線不當(dāng)引起的大多數(shù)問(wèn)題,都可以歸結(jié)為未交流電流走線盡可能短并且緊湊。了解本文所述電路板布局布線準(zhǔn)則背后的理由并嚴(yán)格遵守,將能夠把開(kāi)關(guān)模式電源的PCB相關(guān)問(wèn)題降到zui小。
       
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