嵌入式开关电源 PCB 设计注意事项

好的开关电源需要一块好的印刷电路板。为了提高效率，PCB 设计人员应该了解典型开关电源运行背后的现象。本应用笔记提供了为嵌入式开关电源制作优质 PCB 的解决方案和指南。

讨论

设计师的主要规则是参与开关电源设计的各个方面，包括 PCB。他或她是唯一最了解最终产品中电源功能要求的人。在这样做时，电源设计人员绝不应允许 PCB 设计人员在 PCB 布局程序中使用自动布线例程。自动布线器例程仅努力连接使用与网表中所述相同信号的节点。它忽略了完成此操作所需的迹线长度。自动布线器还将所有接地点视为相同信号并将它们连接在一起，而不考虑通过某些迹线运行的实际信号类型。对于电源设计人员和 PCB 设计人员执行良好的 PCB 布局，

了解 PCB 布局的微妙“黑魔法”对于产品的成功至关重要。这些布局因素会影响开关电源的性能，也会影响产品投放市场的能力。影响印刷电路板设计的产品运行方面有：辐射电磁干扰(辐射 EMI)、传导 EMI、电源稳定性、效率和运行寿命。这两种形式的 EMI 由 UL、IEC 等监管审批机构和全球众多其他监管机构进行了测试。产品必须通过这些严格的 EMI 测试才能销售到各自的市场。其余因素影响产品的基本操作和客户满意度。

电流回路

开关电源具有大电流脉冲，在电源电路中流动的边缘非常尖锐。这些大电流脉冲对 EMI 的产生影响最大，应该是 PCB 设计人员的主要关注点。这些电流在可定义的“回路”中流动，承载这些电流的电路应首先进行布局。然后将低级控制电路耦合到布局中的特定位置。用于开关电源的三种主要基本拓扑结构。所有其他拓扑都是这三种拓扑的变体。

所示的环路可以按其对噪声产生和运行性能影响最大的顺序列出：

1. 电源开关大电流环路。

2.整流器大电流回路。

3.输入源循环。

4.输出负载回路。

输入源和输出负载电流回路由输入和输出 EMI 滤波器(未显示)过滤。它们的电流主要由直流电流组成。这些电流的交流分量由电源产生，应保持在最低限度。这些交流分量是构成传导 EMI 的元素。允许通过足够长的导体的任何交流能量都会辐射到产品的环境中。输入和输出回路是次要问题，因为电源内部的大交流脉冲分别由输入滤波器和输出滤波器电容器过滤。这使得它们产生高频噪声问题的可能性小于两个交流环路。由于监管机构直接测量这些环路，因此应稍后对其进行分析。电源开关和整流器电流回路完全是交流电，或者更恰当地说，是脉动直流电。它们具有梯形电流波形，具有高峰值电流和非常尖锐的边缘 (di/dt)。

开关电源拓扑中的主要电流环路。

可以看到一些代表性波形。PWM 开关电源以这两种模式之一运行：不连续模式，断续模式是指允许输出整流器在电源开关再次打开之前完全清空磁性元件的磁能。连续模式是当电源开关开始为下一个周期打开时允许一些剩余能量保留在磁性元件中。在每个周期结束时流动的电流会被高速开关迅速中断，从而导致非常高的 di/dt 转换。

开关电源的工作模式。

同时，这些信号上也会出现高速率的 dV/dt。这会产生富含高频成分的高周期性功率脉冲。因此，电源开关和整流器回路非常“嘈杂”，值得特别注意。输入电源开关环路在输入滤波电容器 (C in) 之间流动，通过变压器(或电感器)的初级绕组，到达电源开关，然后通过地回到输入电容器。整流回路在变压器的次级绕组(或电感的输出)之间流动，通过整流器到输出滤波电容器(C out)，并通过地返回到变压器或电感。总有一个滤波电容器构成两个环路的一部分，因为电容器是开关电源所需高频电流的唯一本地源或吸收器。输入源和输出负载电流环路可以看作是低频电流，它们以虚拟直流速率分别对输入和输出滤波电容器进行充电或放电。

电源开关环路和输出整流器环路的布局应使“环路”的周长非常小，并由长度较短、宽度较宽的走线组成。首先，环路的周长控制可以在存在大量传导射频能量的较低频率下辐射的射频能量的量。通过使环周长尽可能短，人们无法为这些较低的噪声频率提供有效的天线。典型的电源传导噪声频率分量，该分量在开关频率的大约 100 倍之前保持非常高，然后以每十倍频程 -20 至 -40 dB 的速率下降。允许环路辐射的频率越低，允许逃逸到环境中的能量就越多。第二，高电流回路中使用的走线宽度直接决定了回路周围出现的压降量。当由高电流产生时，这种电压降也会产生射频辐射。迹线表现出的电感和电阻与其宽度成反比。电感会降低环路的频率响应，因此在较低频率下是一种更高效的天线。所以循环迹线应该尽可能宽。宽走线还可以为电源开关和整流器提供更好的散热效果。显示了降压转换器中电源开关和整流器环路的布局示例。请注意两个主交流环路的所有成员之间的距离非常短。当由高电流产生时，也会产生射频辐射。迹线表现出的电感和电阻与其宽度成反比。电感会降低环路的频率响应，因此在较低频率下是一种更高效的天线。所以循环迹线应该尽可能宽。宽走线还可以为电源开关和整流器提供更好的散热效果。