PCB新聞 - 嵌入式開關電源的PCB設計

在任何開關電源設計中, 的物理設計 PCB板 是最後一個連結. 如果設計方法不當, 印刷電路板可能輻射過多的電磁干擾，導致電源工作不穩定. 作為設計師, 您必須瞭解電路的物理工作原理，並設計高品質的PCB.

開關電源包含高頻訊號. PCB上的任何列印線都可以用作天線. 列印線的長度和寬度將影響其阻抗和電感, 從而影響頻率回應. Even printed lines that pass DC signals can couple to radio frequency signals from adjacent printed lines and cause circuit problems (and even radiate interfering signals again). 因此, 所有通過交流電流的印刷線路應設計為盡可能短和寬, 這意味著所有連接到列印線和其他電源線的組件必須放得非常近. 印刷線路的長度與其電感和阻抗成正比, 寬度與印刷線路的電感和阻抗成反比. 長度反映列印線響應的波長. 長度越長, 列印線可以發送和接收電磁波的頻率越低, 它可以輻射更多的射頻能量.
選擇合適的MOSFET設計功率開關或同步整流功能也有助於减少電磁干擾. 當MOSFET器件斷電時, low C▼oss▼ (like FDS6690A) can reduce spike interference.
Main current loop
The current loops of the three main switching power supply structures, 注意他們的差异.
每個開關電源有四個電流回路, 這些回路是相對獨立的. 在井佈局PCB上, the order of importance is as follows:
Power switch AC circuit
output rectifier AC circuit
Input signal source current loop
output load current loop
The input signal source and output load current loop usually have no problems. 這些回路中的電流波形是大直流電流和小交流電流的疊加. 這兩個回路通常需要特殊的濾波器，以防止交流雜訊洩漏到周圍環境中. 輸入和輸出電流回路只能分別從濾波電容器的端子連接到電源. 輸入電路通過近似直流電流對輸入電容器充電, 但它不能提供開關電源所需的高頻電流脈衝. 濾波電容器主要用作寬帶儲能； 同樣地, 輸出濾波電容器還用於存儲來自輸出整流器的高頻能量，同時消除輸出負載回路的直流能量. 因此, 輸入和輸出濾波電容器的端子非常重要. 如果輸入之間的連接/輸出電路和電源開關/整流器電路不能直接連接到電容器的端子上, 交流能量將“流過”輸入或輸出濾波電容器並輻射到環境中.
兩種基本PWM工作模式的電流波形產生遠高於開關頻率的諧波電流波形.
電源開關和整流器的交流電路包含高振幅梯形電流波形. 這些波形中的諧波分量非常高, 它們的頻率遠大於開關的基頻. 這些交流電流的峰值幅度可高達連續輸入幅度的5倍/輸出直流電流. 過渡時間通常約為50ns. 這兩個回路最容易產生電磁干擾.
在給電源中的其他印刷線路佈線之前，設計者必須先佈置這些交流回路. The three main components of each loop (filter capacitor, 電源開關或整流器, inductor or transformer) should be placed adjacent to each other and adjusted Positioning the components so that the current path between them is as short as possible to ensure that the length of the current path is shortened.
這些電路中的印刷線路對轉換器的量測效率影響最大. 選擇DPAK或SO-8等封裝可以在散熱的同時進行訊號傳輸. 飛兆電晶體和其他供應商的產品可以結合散熱和訊號傳輸功能.
Grounding is important
Grounding is the bottom branch of the current loop discussed earlier, 但它作為電路的公共參考點起著重要作用. 因此, 佈局中應仔細考慮接地線的放置. 混合各種接地將導致電源運行不穩定.
開關電源結構的3種主要接地方案.
設計應確保考慮了另一個“控制地”. 它是連接到控制IC和所有相關無源元件的接地點，非常敏感. 因此, 只能在佈置其他交流電路後放置. 控制接地與其他接地的連接點非常特殊. 通常, 連接點位於控制IC所有感應小電壓部件的公共端. 這些連接點包括電流模式開關變換器中電流敏感電阻器的公共端和輸出電阻分壓器的底端. 其功能是在敏感元件和對電壓誤差或電流放大敏感的輸入之間建立低雜訊開爾文. 連接. 如果控制接地連接到任何其他點, 這些額外環路中產生的雜訊將疊加在控制訊號上, 這將影響控制集成電路的運行.
設計者必須確保每個高電流接地端子使用盡可能短和寬的印刷線路. 通常地, 濾波電容器的公共端子應是將其他接地點耦合到大電流交流接地的唯一連接點.
High voltage AC node
There is a node in each switching power supply. 與其他節點相比, 其交流電壓最高. This node is the AC node that appears at the drain (or collector) of the power switch. 在非隔離直流中/直流變換器, this node can also be connected to the inductor and (or output to) the rectifier; in the structure of the isolation transformer, 該節點與變壓器線圈分離. 它仍然是電力效能中的公共節點, 但它只反映在變壓器上, 每個都需要單獨設計.
此節點將有不同的問題. 其交流電壓可以電容耦合到附近不同金屬層的印刷線路上，並輻射電磁干擾. 然而, 印刷線路通常還必須為功率開關和整流器散熱, 特別適用於表面安裝電源. 從電力角度來看, 列印線應盡可能小, 但是從散熱的角度來看, 它應該更大. 在表面安裝設計中, 有一種很好的折衷方法, 製造頂部 PCB板 與底部相同 PCB板, and connecting them together through many holes (or vias).
一種提高散熱器散熱能力的好方法 PCB板 並减少其他印刷線路的電容耦合.
該科技大大减少了與其他印刷線路的電容耦合, 但它的散熱和表面積新增了一倍. Take a SO8 packaged N-channel power MOSFET (such as FDS6670A) as an example. 上層只有325毫米2英寸的銅面積, and the thermal resistance in contact with air is 50 (C/W, plus another on the bottom layer of the PCB). 同一塊板通過8個過孔連接在一起, the thermal resistance is reduced to 39 (C/W, 因為在電路板的另一側沒有攜帶不同訊號的金屬線, 電容器的電容將下降一個數量級以上.
通孔內應用, 其他訊號和接地必須遠離高壓交流印刷線路和用於散熱的部件. 在離線轉換器中, 接地線可將該節點的能量耦合，並通過交流插頭將其引出產品, 產生過多傳導電磁干擾.
Parallel filter capacitor
Capacitors are often used in parallel to reduce the parallel equivalent series resistance (ESR) of the filter capacitor. 這種方法還允許每個電容器分流部分紋波電流，以便每個電容器可以在其紋波電流規格內正常工作. 僅當電容器和每個紋波電流源之間的印刷線路阻抗相同時, 紋波電流將“平均化”, 這要求整流器或功率開關管之間的電容器之間的印刷線路必須具有相同的長度和寬度 .
並聯電容器的正確放置是開關電源設計的關鍵之一.
將電容器放置在列中並按順序連接是非常漂亮的. 然而, 這種佈局將使距離功率開關或整流器最近的電容器比其他電容器承受更多紋波電流, 從而縮短了電容器的使用壽命.

以上是對 PCB設計 嵌入式開關電源. Ipcb也提供給 PCB製造商 和PCB製造技術.