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開關(guān)電源之pcb布局的關(guān)鍵
來源:東莞市成良智能科技 發(fā)布時間:2019-12-17 點(diǎn)擊量:1312
目前的開關(guān)電源等電子產(chǎn)品設(shè)計更精巧、性能也更強(qiáng)大,但其面臨的挑戰(zhàn)之一,在于不斷加速的開關(guān)頻率使得設(shè)計更加困難。布局正成為區(qū)分一個開關(guān)電源設(shè)計好壞的分水嶺。本文將就如何在第一次就實(shí)現(xiàn)良好布局提出建議。Webench選項包括對體積或效率的設(shè)計最佳化,這些均為單一選項。即高效率要求低開關(guān)頻率(降低FET內(nèi)的開關(guān)損耗)。因此需要大容量的電感和電容,因而需更大開關(guān)電源之PCB空間。
接著,我們選擇最小開關(guān)電源之PCB面積的最高開關(guān)頻率。高開關(guān)頻率最可能在布局方面產(chǎn)生問題。我們觀察到兩種不同情況:兩種顏色區(qū)域和僅一種顏色的區(qū)域。我們必須特別關(guān)注后一種情況,因為此時電流在零以及滿量程電壓間交替變化。高di/dt的交流電在開關(guān)電源之PCB導(dǎo)線周圍產(chǎn)生大量磁場,該磁場是該電路內(nèi)其它組件甚至同一或鄰近開關(guān)電源之PCB上其它電路的主要干擾源。由于假設(shè)公共電流路徑不是交流電,因此它不是關(guān)鍵路徑,di/dt的影響也小得多。另一方面,隨著時間變化,這些區(qū)域的負(fù)載更大。
事實(shí)上,不應(yīng)采用把導(dǎo)線和接地引至電容的所謂傳統(tǒng)布局方法。這些導(dǎo)線應(yīng)是流經(jīng)大交流電的。將輸出和接地直接連至電容端子是更好的方法。因此,交替變化的電流僅展現(xiàn)在電容上。連接電容的其它導(dǎo)線現(xiàn)在流經(jīng)的幾乎是恒定電流,且與di/dt相關(guān)的任何問題都已被解決。
雖然很小,但電路中的感應(yīng)點(diǎn)將不會有穩(wěn)定的參考接地。這樣,整個穩(wěn)壓精密度將受到極大影響。另外,大電流連接必須用到連接地平面的過孔,而過孔是另一個干擾和噪聲源。把CIN接地連接作為電路輸入和輸出側(cè)所有大電流接地導(dǎo)線的星節(jié)點(diǎn)是更好的方案。星節(jié)點(diǎn)連接地平面及兩個小電流接地連接(IC和分壓器)。沒有大電流、沒有地彈跳。所有大電流地是以星型與CIN地連接起來的。所有設(shè)計師必須做的是使接地導(dǎo)線(全部在開關(guān)電源之PCB的第一層)盡可能短而粗。在這種背景下,若節(jié)省銅,基本上不會獲得好結(jié)果。節(jié)點(diǎn)阻抗,應(yīng)檢查高阻抗節(jié)點(diǎn),因為它們很容易被干擾。
關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是開關(guān)電源之元器件IC的反饋接腳,其訊號取自電阻分壓器。FB接腳是放大器或比較器的輸入(如采用磁滯穩(wěn)壓器的場合)。在兩種情況,F(xiàn)B點(diǎn)的阻抗都相當(dāng)高。因此,開關(guān)電源之電阻分壓器應(yīng)放置在FB接腳的右側(cè),從電阻分壓器中間連一條短導(dǎo)線到FB。從輸出到電阻分壓器的導(dǎo)線是低阻抗,且可用較長導(dǎo)線連至電阻分壓器。此處的重點(diǎn)是布線方法而非導(dǎo)線長度。其它節(jié)點(diǎn)就不是如此關(guān)鍵了。所以不必憂慮開關(guān)節(jié)點(diǎn)、二極管、COUT、開關(guān)IC的VIN接腳或CIN。
開關(guān)電源之PCB布局的布線手法會為電阻分壓器帶來差別。該導(dǎo)線從COUT連至電阻分壓器,其接地回到COUT。我們必須確保該回路不會形成一個開放區(qū)域。開放區(qū)域會產(chǎn)生接收天線的作用。若我們能保證導(dǎo)線下的地平面是沒被干擾的,則由導(dǎo)線和其下的接地以及l(fā)evel1和level2間形成的區(qū)域應(yīng)是不受干擾的。現(xiàn)在,我們可得知為何接地不應(yīng)放在level4,因為距離顯著增加了。
另一種方式是電阻分壓器的地連接可布線至level1,使兩條導(dǎo)線平行并盡可能靠近以使區(qū)域更小。這些觀察適用于訊號流經(jīng)的全部導(dǎo)線:傳感器連接、放大器輸出、ADC或音訊功率放大器的輸入。對每個模擬訊號,都要處理得使其不太容易導(dǎo)入噪聲。
只要有可能,就盡量最小化開放區(qū)域的這個要求,對低阻抗導(dǎo)線也同樣適用;在這種情況下,我們有一個向開關(guān)電源之PCB其它部分或其它設(shè)備發(fā)射干擾訊號的潛在源(天線)。
以下兩條導(dǎo)線也很關(guān)鍵:從開關(guān)電源之元器件IC的開關(guān)輸出到二極管和電感節(jié)點(diǎn);從二極管到該節(jié)點(diǎn)。這兩條導(dǎo)線都有很高的di/dt:無論是開關(guān)導(dǎo)通還是二極管流過電流,所以導(dǎo)線應(yīng)盡可能短而粗。從節(jié)點(diǎn)到電感以及從電感到COUT的導(dǎo)線就不那么關(guān)鍵。
若你遵循幾個簡單規(guī)則,則開關(guān)電源之PCB布局將不會遇到麻煩。在動手布局前,開關(guān)電源之PCB布局將事半功倍,有助于節(jié)省處理開關(guān)電源異常所需花費(fèi)的時間。
接著,我們選擇最小開關(guān)電源之PCB面積的最高開關(guān)頻率。高開關(guān)頻率最可能在布局方面產(chǎn)生問題。我們觀察到兩種不同情況:兩種顏色區(qū)域和僅一種顏色的區(qū)域。我們必須特別關(guān)注后一種情況,因為此時電流在零以及滿量程電壓間交替變化。高di/dt的交流電在開關(guān)電源之PCB導(dǎo)線周圍產(chǎn)生大量磁場,該磁場是該電路內(nèi)其它組件甚至同一或鄰近開關(guān)電源之PCB上其它電路的主要干擾源。由于假設(shè)公共電流路徑不是交流電,因此它不是關(guān)鍵路徑,di/dt的影響也小得多。另一方面,隨著時間變化,這些區(qū)域的負(fù)載更大。
事實(shí)上,不應(yīng)采用把導(dǎo)線和接地引至電容的所謂傳統(tǒng)布局方法。這些導(dǎo)線應(yīng)是流經(jīng)大交流電的。將輸出和接地直接連至電容端子是更好的方法。因此,交替變化的電流僅展現(xiàn)在電容上。連接電容的其它導(dǎo)線現(xiàn)在流經(jīng)的幾乎是恒定電流,且與di/dt相關(guān)的任何問題都已被解決。
雖然很小,但電路中的感應(yīng)點(diǎn)將不會有穩(wěn)定的參考接地。這樣,整個穩(wěn)壓精密度將受到極大影響。另外,大電流連接必須用到連接地平面的過孔,而過孔是另一個干擾和噪聲源。把CIN接地連接作為電路輸入和輸出側(cè)所有大電流接地導(dǎo)線的星節(jié)點(diǎn)是更好的方案。星節(jié)點(diǎn)連接地平面及兩個小電流接地連接(IC和分壓器)。沒有大電流、沒有地彈跳。所有大電流地是以星型與CIN地連接起來的。所有設(shè)計師必須做的是使接地導(dǎo)線(全部在開關(guān)電源之PCB的第一層)盡可能短而粗。在這種背景下,若節(jié)省銅,基本上不會獲得好結(jié)果。節(jié)點(diǎn)阻抗,應(yīng)檢查高阻抗節(jié)點(diǎn),因為它們很容易被干擾。
關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是開關(guān)電源之元器件IC的反饋接腳,其訊號取自電阻分壓器。FB接腳是放大器或比較器的輸入(如采用磁滯穩(wěn)壓器的場合)。在兩種情況,F(xiàn)B點(diǎn)的阻抗都相當(dāng)高。因此,開關(guān)電源之電阻分壓器應(yīng)放置在FB接腳的右側(cè),從電阻分壓器中間連一條短導(dǎo)線到FB。從輸出到電阻分壓器的導(dǎo)線是低阻抗,且可用較長導(dǎo)線連至電阻分壓器。此處的重點(diǎn)是布線方法而非導(dǎo)線長度。其它節(jié)點(diǎn)就不是如此關(guān)鍵了。所以不必憂慮開關(guān)節(jié)點(diǎn)、二極管、COUT、開關(guān)IC的VIN接腳或CIN。
開關(guān)電源之PCB布局的布線手法會為電阻分壓器帶來差別。該導(dǎo)線從COUT連至電阻分壓器,其接地回到COUT。我們必須確保該回路不會形成一個開放區(qū)域。開放區(qū)域會產(chǎn)生接收天線的作用。若我們能保證導(dǎo)線下的地平面是沒被干擾的,則由導(dǎo)線和其下的接地以及l(fā)evel1和level2間形成的區(qū)域應(yīng)是不受干擾的。現(xiàn)在,我們可得知為何接地不應(yīng)放在level4,因為距離顯著增加了。
另一種方式是電阻分壓器的地連接可布線至level1,使兩條導(dǎo)線平行并盡可能靠近以使區(qū)域更小。這些觀察適用于訊號流經(jīng)的全部導(dǎo)線:傳感器連接、放大器輸出、ADC或音訊功率放大器的輸入。對每個模擬訊號,都要處理得使其不太容易導(dǎo)入噪聲。
只要有可能,就盡量最小化開放區(qū)域的這個要求,對低阻抗導(dǎo)線也同樣適用;在這種情況下,我們有一個向開關(guān)電源之PCB其它部分或其它設(shè)備發(fā)射干擾訊號的潛在源(天線)。
以下兩條導(dǎo)線也很關(guān)鍵:從開關(guān)電源之元器件IC的開關(guān)輸出到二極管和電感節(jié)點(diǎn);從二極管到該節(jié)點(diǎn)。這兩條導(dǎo)線都有很高的di/dt:無論是開關(guān)導(dǎo)通還是二極管流過電流,所以導(dǎo)線應(yīng)盡可能短而粗。從節(jié)點(diǎn)到電感以及從電感到COUT的導(dǎo)線就不那么關(guān)鍵。
若你遵循幾個簡單規(guī)則,則開關(guān)電源之PCB布局將不會遇到麻煩。在動手布局前,開關(guān)電源之PCB布局將事半功倍,有助于節(jié)省處理開關(guān)電源異常所需花費(fèi)的時間。
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