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开关电源设计中的一些关键问题

来源:http://www.whguoli.com 浏览次数:476 日期:2013-7-30 17:46:03

    关于开关电源的噪声,除了芯片自身,Layout的描绘最为重要,记载一些有关的窍门。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描绘的一些关键问题。

AC和DC电流途径

  开关电源在导通和封闭两种状态下的电流回路不尽一样,所以在有些支路上会呈现阶跃电流(step current),这即是所谓需求重视的AC电流途径。

  以PCB走线20nH/inch核算,典型buck converter的AC电流途径上电流改变大约是开关电源封闭变换时负载电流巨细的1.2倍,是导通变换时负载电流的80%。高速场效应管的变换时刻为30ns,Bipolar的变换时刻为70ns;依据V=L*dI/dt,当变换时刻(transition time)为30ns的1安培电流流过的一英寸走线将发生0.7V的电压,一样时刻3安培两英寸走线即是4V!所以第一条原则即是:吝惜AC电流途径走线长度。

  此外电源芯片的GND脚走线尽能够短以避免呈现“地弹”(ground bounce),输入电容方位应接近芯片。

  元件要“扎堆”

  最大的惋惜是不能把元件堆叠起来,因而终究先思考哪个元件就十分重要了。

  原则一:输入端的两个电容Cin和Cbypass。

  输入端电容的效果是按捺输入电压的动摇。输入电压的动摇首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坦(LC串联电路);Boost电源的状况正巧相反,输入电容电流平坦,脉冲电流进入输出电容。原文还提及了Buck-Boost或“flyback”(回扫),Cuk(听说这种是抱负的DC-DC变换器,不存在所谓AC电流途径,输入输出满是平坦电流,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布局。

  在开关电源导通的刹那间,大有些脉冲电流来自Cbypass,其余有些首要来自Cin,只要那些缓慢改变的电流才来自DC输入电源。因而输入电容实践为芯片供给了脉冲电流源,若是输入电容的ESR和ESL太高会构成不必要的高频输入电压纹波,咱们看到这句话千万不行了解为要无限加大输入电容,由开关频率(100K-260K)发生的天然输入电压纹波不在思考规模,俺们思考的是在变换刹那间频率为10MHz-30MHz噪声,(来历:http://www.dqjsw.com.cn)格外的关于高速开关电源(这里的高速和开关的频率并无多大联系,而是指开关的变换时刻,FET速度快于Bipolar),将一个0.1uF-0.47uF的贴片电容Cbypass尽能够接近芯片,Bulk电容Cin个头大,能够间隔稍远(一英寸)。

  原则二:Cbypass电容和开关电源芯片密切触摸!

  环流二极管(catch diode,有时也用MOS管)的方位也至关重要,它和芯片的连线是开关电源最为活泼的区域,处置欠好的走线电感会在输出方波信号上叠加毛刺电压。

  原则三:环流二极管紧贴IC,衔接IC的SW pin以及GND pin构成一个紧凑的回流途径。若是现已遇到了毛刺电压,能够加一个RC缓冲器(RC snubber)吸收走线寄生电感导致的噪声,方位也有必要接近IC的开关脚和地脚,典型的R值为10ohm-100ohm,C值为470pF-2.2nF(电容值过大会构成不必要的功率损耗,1/2*C*V2*f)。

  加宽走线对削减寄生电感有用吗

  根本没用,相反会构成EMI辐射

  添加10倍走线宽度能够下降1/2的寄生电感,近似无效的投入!添加铜箔厚度也没用。在AC回路所包括的区域电场和磁场的交互效果会向外辐射噪声,假定包括的区域较大那就正巧起到了“发射天线”的效果。原则四:减小AC电流回路面积,减小AC电压铜箔面积,能够下降EMI辐射。要下降寄生电感,最先思考减小走线长度。

  铺铜铺到何时休

  1) 承载电流的才能

  走线电阻在阻止电流流过的时分会发生热量,给个经历原则五:

  关于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添加12 mils

  2盎司铜厚(2.8mil)每安培走线宽度至少添加7 mils

  2) 走线电感

  满是好消息!

  减小走线电感的最佳方法是添加完好的地层,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爱的回来途径。之前关于走线电感的预算都是建立在回流途径非常大,假定单根导线的状况。若是有一个完好的地层处于走线的下方,回流途径即是走线在地层上的“镜像”,平行的两根导体电流流向相反时磁场相互抵消,寄生电感也随之减小。

  3)散热办理

  没太多能够评论的,记住FR4也是极好的导热资料,合理利用它和铜箔,还有导热钻孔。

  地平面

  保证其完好性,遇到大功率场合能够需求多层地。

  原文说到双面板铺地后,地上耦合噪声过大本身也向外辐射的疑问。

  信号线:反应

  反应线是仅有需求注意的信号线,能够拾取噪声而使电源作业不正常。拾取噪声的前提条件是走线两头至少有一端是连到高阻抗的节点,如差错对比放大器的输入端(在开关电源芯片内部)。分辩明白哪根走线才是能够拾取噪声的,分压电阻方位接近IC。所以最终一条原则是:反应信号走线远离噪声源;或许/一起走线长度短。

  总结

  没有电路图看这篇笔记是没用的,了解开关电源作业原理以及各支路上电流电压的改变,找到AC电流途径和要害器材Cbypass和环流二极管,才算把疑问弄明白。

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