电源硬件设计----开关电源布局设计要领

1 开关电源布局设计基本介绍

1.1 开关电源布局设计的意义

• 布局不能解决开关电源的全部问题
• 但不能因为布局使开关电源出问题

1.2 开关电源布局设计的特征

• 能量密集，信号密集，干扰密集
• 拓扑级高频高压大电流与控制级小信号交织在一起
• 高压电网与日常应用的主要能量通道，是影响电气安全的关键因素
• 复杂的高频信号线，严峻的电磁兼容环境

1.3 开关电源布局设计的要素

设计要素，如图所示：

设计要素- -原理图

• 理解设计指标、拓扑含义、能量变换过程
• 划分功能模块
• 清理主要电流通道
• 电压、电流、信号分类
• 看懂接地网络、驱动控制原理、关键环节
• 了解元器件作用，理解器件参数
• 看出电路的特色、电路的问题

设计元素- -元件、封装

开关电源中，元件的含义不仅仅是元件功能的概念，封装的含义也不仅仅是平面、空间的概念，还兼有电气间距、耐压、热功率、EMC特性、机械应力、失效模式的概念

设计要素- -连接

开关电源中，电气连接不仅仅是信号的通道，也不仅仅是焊盘、敷铜、过孔、层等布局要素，还包括能量通道、分布参数、热传递、EMC结构的概念

设计要素- -间距、绝缘

• 安规间距、爬电距离必须满足
• 电气间距，与电压有关的间距
• 工艺间距，与电压无关，只与工艺有关的间距
• 基本绝缘
• 附加绝缘，基本绝缘不够时的加强绝缘

视为不绝缘的情形

• PCB表面绝缘漆、丝印层
• 电解电容热缩外壳
• 器件表面的保护性绝缘涂层
• 外漏或可能与PCB接触的磁芯、漆包线

设计要素- -热功率

• 载流密度：敷铜过流能力，加强过流措施
• 热功率、热应力、热传导、热分布，从某种意义上说，开关电源的设计，更多的是热设计
• 对功率密度的追求不仅是对产品档次和使用便利的追求，也是对效率、EMC、成本和环保的追求

设计要素- -工艺结构

• 结构：物理的、机械的、外观的、模块化的
• 工艺环境：PCB、贴装、插件、焊接、装配、老化、测试
• 应用环境：防护性、通用性、专用性、适应性、易维护性

设计要素- -电磁兼容

2 开关电源布局设计要领

2.1 开关电源布局要点(三圈两地)

电流分类：

• 输入电流Ii
• 输出电流Io
• 拓扑电流It
• 高频脉冲电流Ip

2.2 脉冲电流Ip回路(第一个圈)

特性：

• 最强干扰激励源
• 其他EMC干扰的源泉

结构：

• 一个电流环路
• 一个热点结构
• 一个滤波结构
• 一段地线

信号：

• 环路脉冲电流信号(磁场干扰)
• 热点脉冲电压信号(电场干扰)
• 滤波残留信号(残留信号)
• 接地电位差

2.3 拓扑电流It回路

特征：

• 拓扑能量通道
• 与电感串联
• 拓扑典型电流波形
• 高频脉冲电流
• It回路与Ip回路有部分重叠

It与Ip回路共地：共地点即为拓扑接地中心GND

It与Ip回路映射到副边：

• 与原边开关的两个动作相对应
• 变压器漏感介入其中
• 其脉冲电流也可能映射到原边
• 处于系统最末端

2.4 布局要点–脉冲电流回路最小化

意义：

• 开关电源布局设计的首要任务
• 抑制开关电源电磁干扰最有效的方法

措施和方法：

• 理解拓扑、找出所有脉冲电流回路
• 最短路径连接
• 用电气并联的方式就近增加一个电容形成更小的回路
• 使用更紧凑的工艺和封装

优先原则：脉冲电流回路优先、输出侧优先、接地优先

评估：

• 热点面积评估
• 接地噪音电平评估
• 拓扑接地中心评估
• 磁场电场对整体EMC干扰的评估
• 不良耦合评估
• 滤波残留信号评估
• 器件应力评估

2.5 拓扑接地中心GND

意义：

• 把系统接地以最小噪音传递到输出
• 获得一个最小噪音的接地基准参照

布局技巧：

• 两个脉冲电流回路最小化是前提
• 所有拓扑连接在此一点接地
• 输入输出非接地端从电容根部引出

地和热点：

• 不能接地的地方是热点
• 热点分布范围最小化布局
• 热点屏蔽接地

2.6 驱动电流回路

任务和目的：

• 开关电源的所有操控，最终都由对开关的精确驱动来体现
• 保持驱动波形的正确

布局特点：

• 驱动电流Ig回路最小化
• 驱动地从开关源极根部单独引出

2.7 控制接地中心GND

VCC滤波电容Cg：

• 本质上驱动电流Ig是它的输出电流
• 它是驱动芯片所有内部电路的滤波电容
• 它的端电压才是控制电路的基准电平
• 它的负极成为控制接地中心gnd

布局要点：

• VCC滤波电容Cg贴近芯片布局
• 驱动与拓扑共地时GND-gnd连接
• GND-gnd连接保持信号仅Ig
• 所有控制信号需在gnd一点接地
• VCC电源需单独走线到Cg两端

希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正

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