好的開關電源需要一塊好的印刷電路板。為了提高效率，PCB 設計人員應該了解典型開關電源運行背后的現(xiàn)象。本應用筆記提供了為嵌入式開關電源制作優(yōu)質 PCB 的解決方案和指南。

討論

設計師的主要規(guī)則是參與開關電源設計的各個方面，包括 PCB。他或她是唯一最了解最終產品中電源功能要求的人。在這樣做時，電源設計人員絕不應允許 PCB 設計人員在 PCB 布局程序中使用自動布線例程。自動布線器例程僅努力連接使用與網(wǎng)表中所述相同信號的節(jié)點。它忽略了完成此操作所需的跡線長度。自動布線器還將所有接地點視為相同信號并將它們連接在一起，而不考慮通過某些跡線運行的實際信號類型。對于電源設計人員和 PCB 設計人員執(zhí)行良好的 PCB 布局，

了解 PCB 布局的微妙“黑魔法”對于產品的成功至關重要。這些布局因素會影響開關電源的性能，也會影響產品投放市場的能力。影響印刷電路板設計的產品運行方面有：輻射電磁干擾(輻射 EMI)、傳導 EMI、電源穩(wěn)定性、效率和運行壽命。這兩種形式的 EMI 由 UL、IEC 等監(jiān)管審批機構和全球眾多其他監(jiān)管機構進行了測試。產品必須通過這些嚴格的 EMI 測試才能銷售到各自的市場。其余因素影響產品的基本操作和客戶滿意度。

電流回路

開關電源具有大電流脈沖，在電源電路中流動的邊緣非常尖銳。這些大電流脈沖對 EMI 的產生影響最大，應該是 PCB 設計人員的主要關注點。這些電流在可定義的“回路”中流動，承載這些電流的電路應首先進行布局。然后將低級控制電路耦合到布局中的特定位置。用于開關電源的三種主要基本拓撲結構。所有其他拓撲都是這三種拓撲的變體。

所示的環(huán)路可以按其對噪聲產生和運行性能影響最大的順序列出：

1. 電源開關大電流環(huán)路。

2.整流器大電流回路。

3.輸入源循環(huán)。

4.輸出負載回路。

輸入源和輸出負載電流回路由輸入和輸出 EMI 濾波器(未顯示)過濾。它們的電流主要由直流電流組成。這些電流的交流分量由電源產生，應保持在最低限度。這些交流分量是構成傳導 EMI 的元素。允許通過足夠長的導體的任何交流能量都會輻射到產品的環(huán)境中。輸入和輸出回路是次要問題，因為電源內部的大交流脈沖分別由輸入濾波器和輸出濾波器電容器過濾。這使得它們產生高頻噪聲問題的可能性小于兩個交流環(huán)路。由于監(jiān)管機構直接測量這些環(huán)路，因此應稍后對其進行分析。電源開關和整流器電流回路完全是交流電，或者更恰當?shù)卣f，是脈動直流電。它們具有梯形電流波形，具有高峰值電流和非常尖銳的邊緣 (di/dt)。

開關電源拓撲中的主要電流環(huán)路。

可以看到一些代表性波形。PWM 開關電源以這兩種模式之一運行：不連續(xù)模式，斷續(xù)模式是指允許輸出整流器在電源開關再次打開之前完全清空磁性元件的磁能。連續(xù)模式是當電源開關開始為下一個周期打開時允許一些剩余能量保留在磁性元件中。在每個周期結束時流動的電流會被高速開關迅速中斷，從而導致非常高的 di/dt 轉換。

開關電源的工作模式。

同時，這些信號上也會出現(xiàn)高速率的 dV/dt。這會產生富含高頻成分的高周期性功率脈沖。因此，電源開關和整流器回路非?！班须s”，值得特別注意。輸入電源開關環(huán)路在輸入濾波電容器 (C in) 之間流動，通過變壓器(或電感器)的初級繞組，到達電源開關，然后通過地回到輸入電容器。整流回路在變壓器的次級繞組(或電感的輸出)之間流動，通過整流器到輸出濾波電容器(C out)，并通過地返回到變壓器或電感?？傆幸粋€濾波電容器構成兩個環(huán)路的一部分，因為電容器是開關電源所需高頻電流的唯一本地源或吸收器。輸入源和輸出負載電流環(huán)路可以看作是低頻電流，它們以虛擬直流速率分別對輸入和輸出濾波電容器進行充電或放電。

電源開關環(huán)路和輸出整流器環(huán)路的布局應使“環(huán)路”的周長非常小，并由長度較短、寬度較寬的走線組成。首先，環(huán)路的周長控制可以在存在大量傳導射頻能量的較低頻率下輻射的射頻能量的量。通過使環(huán)周長盡可能短，人們無法為這些較低的噪聲頻率提供有效的天線。典型的電源傳導噪聲頻率分量，該分量在開關頻率的大約 100 倍之前保持非常高，然后以每十倍頻程 -20 至 -40 dB 的速率下降。允許環(huán)路輻射的頻率越低，允許逃逸到環(huán)境中的能量就越多。第二，高電流回路中使用的走線寬度直接決定了回路周圍出現(xiàn)的壓降量。當由高電流產生時，這種電壓降也會產生射頻輻射。跡線表現(xiàn)出的電感和電阻與其寬度成反比。電感會降低環(huán)路的頻率響應，因此在較低頻率下是一種更高效的天線。所以循環(huán)跡線應該盡可能寬。寬走線還可以為電源開關和整流器提供更好的散熱效果。顯示了降壓轉換器中電源開關和整流器環(huán)路的布局示例。請注意兩個主交流環(huán)路的所有成員之間的距離非常短。當由高電流產生時，也會產生射頻輻射。跡線表現(xiàn)出的電感和電阻與其寬度成反比。電感會降低環(huán)路的頻率響應，因此在較低頻率下是一種更高效的天線。所以循環(huán)跡線應該盡可能寬。寬走線還可以為電源開關和整流器提供更好的散熱效果。