技術(shù)頻道

娓娓工業(yè)
您現(xiàn)在的位置: 中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng) > 技術(shù)頻道 > 技術(shù)百科 > 工程師詳必知:開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的PCB布局布線

工程師詳必知:開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的PCB布局布線

時(shí)間:2019-06-17 09:49:53來(lái)源:電子發(fā)燒友網(wǎng)

導(dǎo)語(yǔ):??工程課程一般不會(huì)教授如何實(shí)現(xiàn)良好的電路板布局布線。高頻RF類課程會(huì)研究走線阻抗的重要性,但需要自行構(gòu)建系統(tǒng)電源的工程師,通常不會(huì)將電源視為高頻系統(tǒng),而忽視了電路板布局布線的重要性。

工程課程一般不會(huì)教授如何實(shí)現(xiàn)良好的電路板布局布線。高頻RF類課程會(huì)研究走線阻抗的重要性,但需要自行構(gòu)建系統(tǒng)電源的工程師,通常不會(huì)將電源視為高頻系統(tǒng),而忽視了電路板布局布線的重要性。

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)模式電源的任何PCB相關(guān)問(wèn)題降到最小。

開(kāi)關(guān)模式電源用于將一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電壓。這種電源的效率通常很高,因此,在許多應(yīng)用中,它取代了線性穩(wěn)壓器。

微信圖片_20190617094901.jpg

開(kāi)關(guān)頻率與開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換

開(kāi)關(guān)模式電源以一定的開(kāi)關(guān)頻率工作。開(kāi)關(guān)頻率既可以是固定的(例如在PWM型控制中),也可以根據(jù)某些因素而變化(例如在PFM或遲滯型控制中)。

無(wú)論何種情況,開(kāi)關(guān)模式電源的工作原理,都在于它有一定的開(kāi)啟時(shí)間Ton和一定的關(guān)閉時(shí)間Toff.一個(gè)50%占空比的典型開(kāi)關(guān)周期。這意味著,在完整周期T的50%時(shí)間里,轉(zhuǎn)換器中有某一電流;在另外50%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)。但一般而言,開(kāi)關(guān)頻率并不是影響系統(tǒng)的最大因素。

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。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T為2us的時(shí)間標(biāo)度上,對(duì)于500kHzPWM開(kāi)關(guān)頻率,轉(zhuǎn)換看起來(lái)像是一條垂直線。但放大后,我們可以看到,開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換通常需要30到90ns的時(shí)間。

為什么良好的PCB布局布線非常重要?

每2.5cmPCB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),一般取20nH/2.5cm切實(shí)可行。

假設(shè)一個(gè)降壓穩(wěn)壓器提供5A的輸出電流,我們將會(huì)看到電流從0A切換到5A.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:

假設(shè)走線長(zhǎng)2.5cm(20nH),輸出電流為5A(降壓穩(wěn)壓器中的5A開(kāi)關(guān)電流),MOSFET功率開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為30ns,那么電壓偏移將是3.33V.

由此可見(jiàn),僅僅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)模式電源完全失效。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)生非常大的電磁干擾(EMI)。

在上面的公式中,我們唯一能改變的參數(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。較厚的銅線也有助于降低電感。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,但一般不想改變。

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)提高,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,最重要的準(zhǔn)則是以某種方式使交流走線盡可能短。

如果能認(rèn)真遵守這一準(zhǔn)則,良好的電路板布局布線可以說(shuō)已經(jīng)成功了80%.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)椤盁o(wú)電流”的交流走線,我們將原理圖繪制了三次。

它是一個(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(huà)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(huà)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(huà)出了電流從開(kāi)啟時(shí)間變?yōu)殛P(guān)閉時(shí)間的所有走線。

通過(guò)這種方法,我們可以輕松找到任何開(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),一個(gè)好的辦法是將其打印在紙上,并放上一張透明的塑料板,然后用不同顏色的筆,畫(huà)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一相對(duì)簡(jiǎn)單的工作,但在思維過(guò)程中,我們常常會(huì)犯一些小錯(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

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,建議不要使用任何過(guò)孔,因?yàn)檫^(guò)孔的電感也相當(dāng)高。對(duì)于這一規(guī)則,僅有非常少的例外情況。

如果交流路徑不使用過(guò)孔,將實(shí)際導(dǎo)致比過(guò)孔本身更大的走線電感,那么建議使用過(guò)孔。多個(gè)過(guò)孔并聯(lián)優(yōu)于僅使用單個(gè)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。電感有一個(gè)磁芯,磁芯周圍繞著電線。繞組總有一個(gè)起始端和一個(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。繞組的起始端通常在器件上標(biāo)有一個(gè)圓點(diǎn)。將起始端連接到高噪聲開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn),將結(jié)束端連接到安靜的電壓非常重要。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,可以在電氣上屏蔽內(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。

順便提一下,所謂的屏蔽電感也是如此。具有一定磁導(dǎo)率的屏蔽電感的外部,確實(shí)使用了某種屏蔽材料,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性耦合引起的問(wèn)題,屏蔽電感的屏蔽材料沒(méi)有抑制此類耦合。因此,屏蔽電感也應(yīng)放在電路板上,以便將高噪聲開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到繞組起始端,從而將EMI降到最低。

開(kāi)關(guān)模式電源良好電路板布局布線的基礎(chǔ)

工程課程一般不會(huì)教授如何實(shí)現(xiàn)良好的電路板布局布線。高頻RF類課程會(huì)研究走線阻抗的重要性,但需要自行構(gòu)建系統(tǒng)電源的工程師,通常不會(huì)將電源視為高頻系統(tǒng),而忽視了電路板布局布線的重要性。

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)為未控制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)模式電源的任何PCB相關(guān)問(wèn)題降到最小。


聲明:本文為轉(zhuǎn)載類文章,如涉及版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我們刪除(QQ: 2737591964),不便之處,敬請(qǐng)諒解!

標(biāo)簽:

點(diǎn)贊

分享到:

上一篇:一文帶你了解如何獨(dú)自設(shè)計(jì)一...

下一篇:傳動(dòng)爭(zhēng)霸賽:四大機(jī)械傳動(dòng)對(duì)...

中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)版權(quán)與免責(zé)聲明:凡本網(wǎng)注明[來(lái)源:中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)]的所有文字、圖片、音視和視頻文件,版權(quán)均為中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)(m.u63ivq3.com)獨(dú)家所有。如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)與0755-82949061聯(lián)系。任何媒體、網(wǎng)站或個(gè)人轉(zhuǎn)載使用時(shí)須注明來(lái)源“中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)”,違反者本網(wǎng)將追究其法律責(zé)任。

本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明其他來(lái)源的稿件,均來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)或業(yè)內(nèi)投稿人士,版權(quán)屬于原版權(quán)人。轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留稿件來(lái)源及作者,禁止擅自篡改,違者自負(fù)版權(quán)法律責(zé)任。

網(wǎng)站簡(jiǎn)介|會(huì)員服務(wù)|聯(lián)系方式|幫助信息|版權(quán)信息|網(wǎng)站地圖|友情鏈接|法律支持|意見(jiàn)反饋|sitemap

傳動(dòng)網(wǎng)-工業(yè)自動(dòng)化與智能制造的全媒體“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)

網(wǎng)站客服服務(wù)咨詢采購(gòu)咨詢媒體合作

Chuandong.com Copyright ?2005 - 2024 ,All Rights Reserved 深圳市奧美大唐廣告有限公司 版權(quán)所有
粵ICP備 14004826號(hào) | 營(yíng)業(yè)執(zhí)照證書(shū) | 不良信息舉報(bào)中心 | 粵公網(wǎng)安備 44030402000946號(hào)