印制電路板的制作

 

所有開關(guān)電源設(shè)計(jì)的非常重要的一步就是印制電路板（PCB）的線路設(shè)計(jì)。如果這部分設(shè)計(jì)不當(dāng)，PCB也使電源工作不穩(wěn)定，發(fā)射出過量的電磁干擾（EMI）。設(shè)計(jì)師的工作就是在理解電路工作過程的基礎(chǔ)上，保證PCB設(shè)計(jì)合理。

 

開關(guān)電源中，有些信號包含豐富的高頻分量，因而任何一條PCB引線都可能成為天線。引線的長和寬影響它的電阻和電感量，進(jìn)而關(guān)系到它們的頻率響應(yīng)。即使是傳送直流信號的引線，也會從鄰近的引線上引入RF（射頻）信號，使電路發(fā)生故障，或者把這些干擾信號再次輻射出去。所有傳送交流信號的引線要盡可能短且寬。這意味著所有與多條電源線相連的功率器件要盡可能緊挨在一起，以縮短連線長度。引線的長度直接與它的電感量和電阻量成比例，它的寬度則與電感量和電阻量成反比。引線長度就決定了其響應(yīng)信號的波長，引線越長，它能接收和傳送的干擾信號頻率就越低，它所接收到的RF（射頻）能量也越大。

 

主要電流環(huán)路

 

每一個(gè)開關(guān)電源內(nèi)部都有四個(gè)電流環(huán)路，每個(gè)環(huán)路要與其他環(huán)路分開。由于它們對PCB布局的重要性，下面把它們列出來：

 

1、功率開關(guān)管交流電流環(huán)路。

2、輸出整流器交流電流環(huán)路。

3、輸入電源電流環(huán)路。

4、輸出負(fù)載電流環(huán)路。

 

圖1中a、b、c畫出了三種主要開關(guān)電源拓?fù)涞沫h(huán)路。

 

圖1：開關(guān)電源拓?fù)渲械闹饕娏鳝h(huán)路

 

a）無隔離Buck電路

b）無隔離Boost電路

c）變壓器隔離變換器

 

輸入電源和負(fù)載電流環(huán)路一般沒什么問題。這兩個(gè)環(huán)路主要是在直流電流上疊加了一些小的交流電流分量。它們一般有專門的濾波器來阻止交流噪聲進(jìn)入周圍的電路。輸入和輸出電流環(huán)路連接的位置只能是相應(yīng)的輸入輸出電容的接線端。輸入環(huán)路通過近似直流的電流對輸入電容充電，但它無法提供開關(guān)電源所需的脈沖電流。輸入電容主要是起到高頻能量存儲器的作用。類似地，輸出濾波電容存儲來自輸出整流器的高頻能量，使輸出負(fù)載環(huán)能以直流方式汲取能量。因此，輸入和輸出濾波電容接線端的放置很重要。如果輸入或輸出環(huán)與功率開關(guān)或整流環(huán)的連接沒有直接接到電容的兩端，交流能量就會從輸入或輸出濾波電容上流進(jìn)流出，并通過輸入和輸出電流環(huán)“逃逸”到外面環(huán)境中。

 

功率開關(guān)和整流器的交流電流環(huán)路包含非常高的PWM開關(guān)電源典型的梯形電流波形。這些波形含有延展到遠(yuǎn)高于基本開關(guān)頻率的諧波。這些交流電流的峰值有可能是連續(xù)輸入或輸出直流電流的2～5倍。典型的轉(zhuǎn)換時(shí)間大約是50ns，因而這兩個(gè)環(huán)路最有可能產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。

 

在電源PCB制作中，這些交流電流環(huán)路的布線要在其他引線之前布好。每個(gè)環(huán)路由三個(gè)主要器件組成：濾波電容、功率開關(guān)管以及整流器、電感或變壓器。它們的放置要盡可能靠近。這些器件的方向也要確定好，以使它們之間的電流通路盡可能短。圖2就是關(guān)于Buck（或降壓）變換器功率部分布局的一個(gè)很好的例子。

 

圖2：比較理想的Buck電路布置方案

 

這些電流環(huán)路的布線，對變換器效率測量也會產(chǎn)生影響。如果這些引線上的電壓降比較大，變換器效率就顯得比較低，這是因?yàn)樗ぷ鲿r(shí)的電壓降低了（因而電流要增大）。但是，如果用數(shù)字電壓表（DVM）或儀器來測量效率，輸入電壓端上測得的值比它實(shí)際的大，從而得出一個(gè)錯(cuò)誤的較大Ⅵ乘積結(jié)果。

 

開關(guān)電源內(nèi)部的接地

 

電源地代表的是上面介紹的電流環(huán)路底下的支路。電源地作為電路的共同電位參考點(diǎn)，在電路中起著非常重要的作用，因而在布置PCB的時(shí)候，電源地的安排要十分小心。把這些地混淆的話，會引起電源工作不穩(wěn)定。

 

另外，要考慮的一個(gè)地是連接控制集成電路和與之相關(guān)的無源器件的地，即控制地。這個(gè)地非常敏感，因而要在其他的交流電流環(huán)路都布置好后再放置?？刂频嘏c其他地要通過一些特定的點(diǎn)連接，總的來說，這個(gè)連接點(diǎn)是產(chǎn)生控制IC所要檢測的小電壓的所有器件的公共連接點(diǎn)。它包括電流型變換器電流檢測電阻的公共接點(diǎn)和輸出端電阻分壓器的下端。這樣是為了減小檢測部分與電壓誤差或電流放大器敏感的輸入端之間的連接而引入的噪聲。如果控制地接到其他位置，主電路那些環(huán)路產(chǎn)生的噪聲會加到控制信號上，影響控制IC的正常工作。

 

主要變換拓?fù)涞牡鼐€安排見圖3。

 

圖3：主要變換拓?fù)涞牡鼐€安排

 

a）無隔離DC-DC變換器

b）無隔離變壓器耦合變換器

c）隔離變壓器耦合變換器

 

每條大電流的地線要短而寬。作為一般的規(guī)則，除控制地外，輸入濾波電容的公共端應(yīng)作為其他交流電流地的唯一接點(diǎn)。

 

 

推薦閱讀：