设计开关电源的一些关键问题

  对于开关电源的噪声,除了芯片本身,Layout的设计最为重要,记录一些相关的技巧。不少关于EMI的观念具有通用性。下面我们谈谈关于开关电源设计的一些关键问题。

  AC和DC电流路径

  开关电源在导通和关闭两种状态下的电流回路不尽相同,于是在部分支路上会出现阶跃电流(step current)(图1. C),这就是所谓需要关注的AC电流路径。

  以PCB走线20nH/inch计算,典型buck converter的AC电流路径上电流变化大约是开关电源关闭转换时负载电流大小的1.2倍,是导通转换时负载电流的80%。高速场效应管的转换时间为30ns,Bipolar的转换时间为70ns;根据V=L*dI/dt,当转换时间(transition time)为30ns的1安培电流流过的一英寸走线将产生0.7V的电压,相同时间3安培两英寸走线就是4V!所以第一条准则便是:吝惜AC电流路径走线长度。

  此外电源芯片的GND脚走线尽可能短以防止出现“地弹”(ground bounce),输入电容位置应靠近芯片。

  元件要“扎堆”

  最大的遗憾是不能把元件重叠起来,因此究竟先考虑哪个元件就十分重要了。

  准则一:输入端的两个电容Cin和Cbypass。

  输入端电容的作用是抑制输入电压的波动。输入电压的波动主要来自电源开关时的脉冲输入电流,Bulk电源的输出电流较平整(LC串联电路);Boost电源的情况正好相反,输入电容电流平整,脉冲电流进入输出电容。原文还提及了Buck-Boost或“flyback”(回扫),Cuk(据说这种是理想的DC-DC转换器,不存在所谓AC电流路径,输入输出全是平整电流,没玩过L)等电源,其输入输出电容上的电流状况取决于各自的拓扑结构。

  在开关电源导通的瞬间,大部分脉冲电流来自Cbypass,其余部分主要来自Cin,只有那些缓慢变化的电流才来自DC输入电源。因此输入电容实际为芯片提供了脉冲电流源,如果输入电容的ESR和ESL太高会造成不必要的高频输入电压纹波,我们看到这句话千万不可理解为要无限加大输入电容,由开关频率(100K-260K)产生的自然输入电压纹波不在考虑范围,俺们考虑的是在转换瞬间频率为10MHz-30MHz噪声,特别的对于高速开关电源(这里的高速和开关的频率并无多大关系,而是指开关的转换时间,FET速度快于Bipolar),将一个0.1uF-0.47uF的贴片电容Cbypass尽可能靠近芯片,Bulk电容Cin个头大,可以距离稍远(一英寸)。

  准则二:Cbypass电容和开关电源芯片亲密接触!

  环流二极管(catch diode,有时也用MOS管)的位置也至关重要,它和芯片的连线是开关电源最为活跃的地区,处理不好的走线电感会在输出方波信号上叠加毛刺电压。

  准则三:环流二极管紧贴IC,连接IC的SW pin以及GND pin形成一个紧凑的回流路径。如果已经遇到了毛刺电压,可以加一个RC缓冲器(RC snubber)吸收走线寄生电感引起的噪声,位置也必须靠近IC的开关脚和地脚,典型的R值为10ohm-100ohm,C值为470pF-2.2nF(电容值过大会造成不必要的功率损耗,1/2*C*V2*f)。

  加宽走线对减少寄生电感有用吗

  基本没用,相反会造成EMI辐射

  增加10倍走线宽度可以降低1/2的寄生电感,近似无效的投入!增加铜箔厚度也没用。在AC回路所包含的区域电场和磁场的交互作用会向外辐射噪声,假如包含的区域较大那就正好起到了“发射天线”的作用。准则四:减小AC电流回路面积,减小AC电压铜箔面积,可以降低EMI辐射。要降低寄生电感,最先考虑减小走线长度。

  铺铜铺到何时休

  1) 承载电流的能力

  走线电阻在阻碍电流流过的时候会产生热量,给个经验准则五:

  对于5安培以下电流,温度上升容限30°C

  1盎司铜厚(1.4mil)每安培走线宽度至少增加12 mils

  2盎司铜厚(2.8mil)每安培走线宽度至少增加7 mils

  2) 走线电感

  全是好消息!

  减小走线电感的最佳办法是增加完整的地层,电流不会无休止的朝着一个方向流下去,它一定会找到它最喜欢的返回路径。之前关于走线电感的估算都是建立在回流路径非常大,假设单根导线的情况。如果有一个完整的地层处于走线的下方,回流路径就是走线在地层上的“镜像”,平行的两根导体电流流向相反时磁场互相抵消,寄生电感也随之减小。

  3)散热管理

  没太多可以讨论的,记住FR4也是很好的导热材料,合理利用它和铜箔,还有导热钻孔。

  地平面

  保证其完整性,遇到大功率场合可能需要多层地。

  原文提到双面板铺地后,地上耦合噪声过大自身也向外辐射的问题。

  信号线:反馈

  反馈线是唯一需要注意的信号线,可能拾取噪声而使电源工作不正常。拾取噪声的前提条件是走线两端至少有一端是连到高阻抗的节点,如误差比较放大器的输入端(在开关电源芯片内部)。分辨清楚哪根走线才是可能拾取噪声的,分压电阻位置靠近IC。所以最后一条准则是:反馈信号走线远离噪声源;或者/同时走线长度短。

  总结

  没有电路图看这篇笔记是没用的,理解开关电源工作原理以及各支路上电流电压的变化,找到AC电流路径和关键器件Cbypass和环流二极管,才算把问题弄清楚。

| 更新时间:2015.11.05    查看次数:1409
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