電源設(shè)計(jì)布局1：熱回路

憑借二十年的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，我主要為工業(yè)和汽車客戶提供支持，在電源設(shè)計(jì)故障排除方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。在客戶支持方面，當(dāng)某些內(nèi)容未按預(yù)期或數(shù)據(jù)表中的承諾工作時(shí)，您通常會(huì)接到電話。通常，當(dāng)您接到電話時(shí)，布局已經(jīng)完成，投入了大量資金，解決問題的時(shí)間與項(xiàng)目管理的神經(jīng)一樣緊張。

很多時(shí)候，問題是由布局引起的。在演示板上，一切看起來和測量都很好。但在做出更多妥協(xié)的客戶董事會(huì)上，情況就不同了。你不能責(zé)怪布局人員，他通過連接原理圖所需的所有節(jié)點(diǎn)來完成他的工作，并將所有組件整齊地排列在印刷電路板上。要?jiǎng)?chuàng)建成功的電源布局，如果您計(jì)劃更改經(jīng)過驗(yàn)證的布局中的任何內(nèi)容，則必須對所涉及的物理場有一定的了解。演示板布局可能針對與您的設(shè)計(jì)不同的要求進(jìn)行優(yōu)化，或者您的設(shè)計(jì)可能需要的組件可能略有不同。

在撰寫此博客時(shí)，我問自己如何處理如此廣泛的范圍界定主題。我認(rèn)為最好的方法是把它分成幾塊。我的目標(biāo)是從 PC 板和組件方面創(chuàng)建一些直觀設(shè)計(jì)內(nèi)部的情況。在布局階段，您通常會(huì)在幾秒鐘內(nèi)做出決定，這將決定電路板的功能和 EMI。這些決定大多數(shù)時(shí)候都無法糾正，即使您拼命使用手術(shù)刀、旋轉(zhuǎn)切割工具、銅箔和焊料。

我記得大約十幾年前，一位客戶第一次在汽車收音機(jī)中使用開關(guān)模式電源。他的許多同事說，這是做不到的。但是，在布局和輸入過濾中解決了一些問題之后，一切正常。后來，一位客戶成功地使用了一款 LT1940 1MHz 雙通道降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器工作在汽車無線電接收器的 AM 頻段中間。電源單元（PSU）不需要額外的金屬屏蔽，只是放置，布局和濾波的問題。

開關(guān)模式穩(wěn)壓器中最重要的EMI來源是開關(guān)電流的環(huán)路。我稱之為熱循環(huán)。

對于非隔離拓?fù)?，最基本的拓?fù)渲皇墙祲悍€(wěn)壓器。EMI從高di/dt環(huán)路開始。電源線和負(fù)載線不應(yīng)具有高交流電流含量。因此，我們可以將分析重點(diǎn)放在輸入電容Cin上，該電容應(yīng)將所有相關(guān)的交流電流源向輸出電容Cout，任何交流電流都在此結(jié)束。

圖1.非隔離降壓拓?fù)?，其中產(chǎn)生最高EMI的環(huán)路是綠環(huán)路或熱環(huán)路

在S1閉合和S2開路的導(dǎo)通周期中，交流電流跟隨紅色環(huán)路[圖1]。在關(guān)斷周期中，S1開路，S2閉合，交流電流跟隨藍(lán)色環(huán)路。兩種電流都有空中飛人形狀。人們通常很難理解產(chǎn)生最高EMI的環(huán)路既不是紅色環(huán)路也不是藍(lán)色環(huán)路。只有在綠色回路中流淌完全開關(guān)的交流電流，從零切換到Ipeak，然后再切換回零。我們將綠色回路稱為熱回路，因?yàn)樗哂凶罡叩慕涣骱?EMI 能量。

為了降低EMI并改善功能，需要盡可能降低綠色回路的輻射效應(yīng)。如果我們能夠?qū)⒕G色回路的PC板面積減小到零，并購買具有零阻抗的理想輸入電容器，問題就會(huì)得到解決。但我們僅限于現(xiàn)實(shí)世界。工程的任務(wù)是找到最佳折衷方案。該環(huán)路的磁偶極子場強(qiáng)度與開關(guān)電流和覆蓋面積成正比。

讓我們看一下LT8611降壓轉(zhuǎn)換器的布局。LT8611 在內(nèi)部具有兩個(gè)開關(guān)，因此我們只需要關(guān)注輸入電容器的連接。

圖2.LT8611降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖

從圖2的原理圖中可以看出，出于布局目的，熱回路不容易發(fā)現(xiàn)。

圖3.LT8611buck轉(zhuǎn)換器的布局，其中綠線是頂層的熱回路

綠線是頂層的熱回路。交流電流流過輸入電容和器件中的開關(guān)。圖 3 顯示了 DC1750A LT8611 演示板。

升壓電路在連續(xù)模式下可視為反向運(yùn)行的降壓電路。

圖4.熱回路是藍(lán)色回路和紅色回路之間的區(qū)別，S1 打開，S2 關(guān)閉

熱回路被識別為S2閉合時(shí)的藍(lán)色回路與S2打開和S1閉合的紅色回路[圖4]之間的差異。

圖5.

單電感4開關(guān)降壓-升壓[圖5]由降壓電路和升壓電路組成。布局通常會(huì)因?qū)儆趦蓚€(gè)熱回路的通用GND分流器而變得復(fù)雜。LTC3780 DC1046A 演示板 [圖 6] 示出了一種將檢測電阻器分成兩個(gè)并聯(lián)電阻的優(yōu)雅解決方案。

圖6.

圖7.

SEPIC電路的略有不同的圖[圖7]顯示了它的熱回路。通常使用二極管代替頂部開關(guān)的有源MOSFET。LT3757 DC1341A [圖 8] 顯示了良好的 SEPIC 布局。綠色熱回路區(qū)域最小化，并在下一層具有實(shí)心GND平面

圖8.

圖9.

反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[圖9]與SEPIC[圖8]非常相似，只是負(fù)載通過頂部開關(guān)和頂部電感。布局非常相似，演示板通?？梢詮腟EPIC修改為反相，前提是IC還可以調(diào)節(jié)負(fù)反饋電壓，如LT3581、LT3757等。

圖 10.

反激式拓?fù)鋄圖10]在變壓器上使用單獨(dú)的繞組，初級繞組和次級繞組之間只有磁耦合。初級繞組中的電流在相對較高的di/dt下變?yōu)榱?。只有存儲在繞組之間和開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的漏感和電容中的能量才能減慢速度。初級和其他變壓器繞組可視為完全開關(guān)的電流。我們得到了兩個(gè)主要的熱回路，如降壓-升壓情況[圖5]。為了降低EMI，除了關(guān)閉V在去耦 對于差模EMI，共模扼流圈用于此拓?fù)渲锌赡苷贾鲗?dǎo)地位的共模EMI。

因此，成功布局的第一步是保持熱回路盡可能小。使用設(shè)計(jì)規(guī)則允許的最小銅間距。使用最短和最平坦的陶瓷去耦電容器，首先閉合熱回路。為熱回路并聯(lián)使用多個(gè)阻斷或去耦電容并沒有錯(cuò)。將它們堆疊在一起，最短和最平坦的電容器靠近熱回路，較大的封裝緊隨其后。

審核編輯：郭婷