設計開關電源的一些關鍵問題

  對于開關電源的噪聲,除了芯片本身,Layout的設計最為重要,記錄一些相關的技巧。不少關于EMI的觀念具有通用性。下面我們談談關于開關電源設計的一些關鍵問題。

  AC和DC電流路徑

  開關電源在導通和關閉兩種狀態下的電流回路不盡相同,于是在部分支路上會出現階躍電流(step current)(圖1. C),這就是所謂需要關注的AC電流路徑。

  以PCB走線20nH/inch計算,典型buck converter的AC電流路徑上電流變化大約是開關電源關閉轉換時負載電流大小的1.2倍,是導通轉換時負載電流的80%。高速場效應管的轉換時間為30ns,Bipolar的轉換時間為70ns;根據V=L*dI/dt,當轉換時間(transition time)為30ns的1安培電流流過的一英寸走線將產生0.7V的電壓,相同時間3安培兩英寸走線就是4V!所以第一條準則便是:吝惜AC電流路徑走線長度。

  此外電源芯片的GND腳走線盡可能短以防止出現“地彈”(ground bounce),輸入電容位置應靠近芯片。

  元件要“扎堆”

  最大的遺憾是不能把元件重疊起來,因此究竟先考慮哪個元件就十分重要了。

  準則一:輸入端的兩個電容Cin和Cbypass。

  輸入端電容的作用是抑制輸入電壓的波動。輸入電壓的波動主要來自電源開關時的脈沖輸入電流,Bulk電源的輸出電流較平整(LC串聯電路);Boost電源的情況正好相反,輸入電容電流平整,脈沖電流進入輸出電容。原文還提及了Buck-Boost或“flyback”(回掃),Cuk(據說這種是理想的DC-DC轉換器,不存在所謂AC電流路徑,輸入輸出全是平整電流,沒玩過L)等電源,其輸入輸出電容上的電流狀況取決于各自的拓撲結構。

  在開關電源導通的瞬間,大部分脈沖電流來自Cbypass,其余部分主要來自Cin,只有那些緩慢變化的電流才來自DC輸入電源。因此輸入電容實際為芯片提供了脈沖電流源,如果輸入電容的ESR和ESL太高會造成不必要的高頻輸入電壓紋波,我們看到這句話千萬不可理解為要無限加大輸入電容,由開關頻率(100K-260K)產生的自然輸入電壓紋波不在考慮范圍,俺們考慮的是在轉換瞬間頻率為10MHz-30MHz噪聲,特別的對于高速開關電源(這里的高速和開關的頻率并無多大關系,而是指開關的轉換時間,FET速度快于Bipolar),將一個0.1uF-0.47uF的貼片電容Cbypass盡可能靠近芯片,Bulk電容Cin個頭大,可以距離稍遠(一英寸)。

  準則二:Cbypass電容和開關電源芯片親密接觸!

  環流二極管(catch diode,有時也用MOS管)的位置也至關重要,它和芯片的連線是開關電源最為活躍的地區,處理不好的走線電感會在輸出方波信號上疊加毛刺電壓。

  準則三:環流二極管緊貼IC,連接IC的SW pin以及GND pin形成一個緊湊的回流路徑。如果已經遇到了毛刺電壓,可以加一個RC緩沖器(RC snubber)吸收走線寄生電感引起的噪聲,位置也必須靠近IC的開關腳和地腳,典型的R值為10ohm-100ohm,C值為470pF-2.2nF(電容值過大會造成不必要的功率損耗,1/2*C*V2*f)。

  加寬走線對減少寄生電感有用嗎

  基本沒用,相反會造成EMI輻射

  增加10倍走線寬度可以降低1/2的寄生電感,近似無效的投入!增加銅箔厚度也沒用。在AC回路所包含的區域電場和磁場的交互作用會向外輻射噪聲,假如包含的區域較大那就正好起到了“發射天線”的作用。準則四:減小AC電流回路面積,減小AC電壓銅箔面積,可以降低EMI輻射。要降低寄生電感,最先考慮減小走線長度。

  鋪銅鋪到何時休

  1) 承載電流的能力

  走線電阻在阻礙電流流過的時候會產生熱量,給個經驗準則五:

  對于5安培以下電流,溫度上升容限30°C

  1盎司銅厚(1.4mil)每安培走線寬度至少增加12 mils

  2盎司銅厚(2.8mil)每安培走線寬度至少增加7 mils

  2) 走線電感

  全是好消息!

  減小走線電感的最佳辦法是增加完整的地層,電流不會無休止的朝著一個方向流下去,它一定會找到它最喜歡的返回路徑。之前關于走線電感的估算都是建立在回流路徑非常大,假設單根導線的情況。如果有一個完整的地層處于走線的下方,回流路徑就是走線在地層上的“鏡像”,平行的兩根導體電流流向相反時磁場互相抵消,寄生電感也隨之減小。

  3)散熱管理

  沒太多可以討論的,記住FR4也是很好的導熱材料,合理利用它和銅箔,還有導熱鉆孔。

  地平面

  保證其完整性,遇到大功率場合可能需要多層地。

  原文提到雙面板鋪地后,地上耦合噪聲過大自身也向外輻射的問題。

  信號線:反饋

  反饋線是唯一需要注意的信號線,可能拾取噪聲而使電源工作不正常。拾取噪聲的前提條件是走線兩端至少有一端是連到高阻抗的節點,如誤差比較放大器的輸入端(在開關電源芯片內部)。分辨清楚哪根走線才是可能拾取噪聲的,分壓電阻位置靠近IC。所以最后一條準則是:反饋信號走線遠離噪聲源;或者/同時走線長度短。

  總結

  沒有電路圖看這篇筆記是沒用的,理解開關電源工作原理以及各支路上電流電壓的變化,找到AC電流路徑和關鍵器件Cbypass和環流二極管,才算把問題弄清楚。

| 更新時間:2015.11.05    查看次數:2231
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