开关电源布线与纹波抑制

只看该作者 · 2012-1-4 11:08

当开关电源遇到纹波问题时人们习惯于从原理图上找问题并试图通过更改原理设计解决纹波问题。这个思路不是不对只是一般思路，合理的原理设计是任何硬件系统稳定的第一必要条件。
任何原理设计转化为实体才有意义而实体转化后的载体就是PCB，对于任何硬件系统PCB的设计及其重要，开关电源当然也不例外。我想通过几个常用的电源拓扑讨论一下开关电源布线是应该注意的几个问题。
开关转换发生在开关状态发生逆转的瞬间，这个时间一般小于100ns，但绝大多数干扰洞发生在这个阶段。实际上开关电源的噪声和基本开关频率关系不大，而往往是开关转换的时间越短产生的纹波问题越多。
下面我们看几个常见的开关电源拓扑的电流分布情况以指导布线。
1、boost

在开关变换时间内只含有开关导通或开关关闭电流部分的电流变化率会很大（用微分模型表示就是dI/dt 会很大。）这样就会产生大的压差，V=L*dI/dt
L是pcb的寄生电感，20nH/inch
这个V是一个尖峰这个尖峰一旦产生不仅会影响到电源输入输出特性而且如果渗透到IC控制单元，可能是控制功能失常，产生更加不靠谱的杂乱纹波。
针对boost 芯片开关管道到电感，开关管到地硬要足够粗足够短，然后肖特基管道电容沿用这一思路。电感之前不是特别关键但线宽也最好按照 1oz 铜皮每0.5mm宽 1A近似算下。
2、buck

由BUCK的拓扑我们可以看到从原始电源到肖特基管中间都是关键走线，可以往往原始电源和我们开关电源的距离不是我们能控制的，这时一定要有足够大容量的前滤波电容在开关管之前而且距离要短。输入滤波电容的ESR指标也要在考虑范围之内。
3、buck-boost

这个东西除了电感回路都是关键电路所以布局布线要格外用心，前滤波后滤波都关键，开关管（电源IC），肖特基布局要紧凑。

另外：mosfet的开关时间远小于bjt所以对于mosfet的电源芯片更要注意以上布线规则。

***要避免使用宽线宽来弥补长线距的不足，始终要要把合理布局缩短线距作为首要考虑的。因为如果线长度大了寄生电感一定会变大，宽线宽只能减小串联电阻。而且对于电压周期变化的导线（比如buck开关到二极管之间）电压时周期跳动的，是存在交变电场的，如果增大了它的面积它会向外辐射电磁波。引起空间辐射干扰。

只看该作者 · 2012-1-11 15:41

布局：脉冲电压连线尽可能短，其中输入开关管到变压器连线，输出变压器到整流管连接线。脉冲电流环路尽可能小如输入滤波电容正到变压器到开关管返回电容负。输出部分变压器出端到整流管到输出电感到输出电容返回变压器电路中X电容要尽量接近开关电源输入端，输入线应避免与其他电路平行，应避开。 Y电容应放置在机壳接地端子或FG连接端。共摸电感应与变压器保持一定距离，以避免磁偶合。如不好处理可在共摸电感与变压器间加一屏蔽，以上几项对开关电源的EMC性能影响较大。

输出电容一般可采用两只一只靠近整流管另一只应靠近输出端子，可影响电源输出纹波指标，两只小容量电容并联效果应优于用一只大容量电容。发热器件要和电解电容保持一定距离，以延长整机寿命，电解电容是开关电源寿命的瓶劲，如变压器、功率管、大功率电阻要和电解保持距离，电解之间也须留出散热空间，条件允许可将其放置在进风口。

只看该作者 · 2012-2-11 14:22

受教，

只看该作者 · 2012-3-21 12:17

顶！！

只看该作者 · 2012-3-21 14:33

总的讲这三种手段都是增大pcb的电流承载能力，我觉得走线第一位的是缩短长度，这样是减小板上寄生电感的最有效办法。
如果长度定了在综合考虑的话，搪锡是最可取的：搪锡对于设计者容易实现，只要在阻焊层上开窗就行了，不用和pcb厂商最什么特殊接洽也没有附加费用，默认的pcb防氧化工艺就是热风整平，就是喷上锡用热风吹一下。搪锡的缺点是裸露容易短路。
增加铜箔厚度的话就需要使用特殊的板料，一般都是1oz的板材。如果需要加厚一般采用二次覆铜，二次铜皮强度低容易剥离。需要与pcb厂家说明同时可能需要增加费用。
大面积覆铜，对于电压变化不频繁的网络可以，比如地线，或者稳压输出端，对于开关动作中电压波动大的地方不适合大面积覆铜，这样变化的电场回产生磁场，磁场再产生电场，。。对就是电磁辐射。那就是空间干扰。同样影响性能。