電力電子電路PCB布線的關(guān)鍵技術(shù)分析

摘要：：電力電子電路PCB的布線在很大程度上決定了最終產(chǎn)品的好壞。本文主要分析了常用電力電子電路的PCB布線的幾個關(guān)鍵技術(shù)，主要包括開關(guān)節(jié)點問題，PCB布線的寬度、厚度和電感的關(guān)系，關(guān)鍵走線如何處理，多層板的地以及散熱等問題。 敘詞：印刷電路板（PCB） 布線 開關(guān)節(jié)點 電感 散熱 Abstract： Power and electronic circuits PCB layout determines the final products performance. Several key techniques of power and electronic circuits PCB layout are analyzed in detail in this paper, which includes switch node problem, the relationship between inductance and the width and thickness of PCB layout, how to deal with the critical alignment, multilayers ground, and thermal management concerns. Keyword：Printed circuit board (PCB), Layout, Switch node, Inductance, Thermal management

1 引言

一臺性能優(yōu)良的電力電子變換器，除選擇高質(zhì)量的元器件、合理的電路外，印刷線路板的組件布局和電氣聯(lián)機方向的正確結(jié)構(gòu)設(shè)計是決定開關(guān)變換器能否可靠工作的一個關(guān)鍵問題。對同一種組件和參數(shù)的電路，由于組件布局設(shè)計和電氣聯(lián)機方向的不同會產(chǎn)生不同的結(jié)果，其結(jié)果可能存在很大的差異。因而，必須把如何正確設(shè)計印刷線路板組件布局的結(jié)構(gòu)和正確選擇布線方向及整體儀器的工藝結(jié)構(gòu)三方面聯(lián)合起來考慮。合理的工藝結(jié)構(gòu)，既可消除因布線不當而產(chǎn)生的噪聲干擾，同時便于生產(chǎn)中的安裝、調(diào)試與檢修等。

文獻[1]從抗干擾的角度介紹了印刷電路板基板材料的選擇、表面的處理、布線、抗干擾設(shè)計等。文獻[2]詳細討論了開關(guān)電源PCB排版的基本要點，并描述了一些實用的PCB排版例子。文獻[3]提出了在PCB板電路設(shè)計中的工藝設(shè)計和抗干擾的有效方法，如何正確設(shè)計印制電路板組件布局和選擇布線方向的改進，以便滿足PCB板抑制干擾和噪聲的設(shè)計要求。文獻[4]在建立單片機應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，提出了PCB可靠性設(shè)計應(yīng)包括總體設(shè)計、布線設(shè)計和PCB尺寸及器件布置，并介紹了提高PCB可靠度的方法。電力電子變換器最終產(chǎn)品的好壞，在很大程度上取決于所設(shè)計的開關(guān)變換器PCB的布線。以上文獻都沒有涉及電力電子電路的布線問題。本文主要分析常用電力電子電路的PCB布線的幾個關(guān)鍵問題，以利于開關(guān)變換器設(shè)計者參考。

2 基本電力電子電路

最基本的電力電子電路有三種boost、buck、buck-boost[5-9]。這三種拓撲取決于電感的鏈接方式，設(shè)置合適的參考地后，可以得到三個不同的端子：輸入端、輸出端和地端，如圖1所示。若電感一端與地相連，則得到buck-boost電路；若電感與輸入端相連，則得到boost電路；若電感與輸出端相連，則得到buck電路。

圖1 電力電子電路的三種拓撲結(jié)構(gòu)：(a) buck-boost拓撲；(b) boost拓撲；(c) buck拓撲。

3 開關(guān)節(jié)點

在開關(guān)器件與二極管之間設(shè)置的電感電流換流節(jié)點稱之為開關(guān)節(jié)點。電流從電感流入此節(jié)點，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)不同而流入開關(guān)或者二極管。任何DC-DC變換器拓撲均有此節(jié)點，由二極管參與構(gòu)成的節(jié)點可防止巨大的電壓尖峰產(chǎn)生。

節(jié)點電流在開關(guān)和二極管之間進行轉(zhuǎn)換，因此二極管需要周期性的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，即二極管需在開關(guān)導(dǎo)通時加反向電壓而在其關(guān)斷期間加正向電壓。因此，節(jié)點電壓來回振蕩，將一示波器探頭連接于此節(jié)點，探頭地接于此拓撲電路的地，所得電壓波形為方波。此波形與電感電壓波形極為相似，不同之處在于此電壓在正電壓范圍改變，改變幅度由電路拓撲決定。

實際設(shè)計PCB時需要特別注意防止在開關(guān)節(jié)點處布過多銅絲。否則它可能成為一個電磁場天線，向四周輻射射頻干擾，輸出導(dǎo)線會吸收此干擾并直接傳遞到輸出。

所有集成IC的開關(guān)均與其控制部分封裝在一起，這樣雖然應(yīng)用方便且價格便宜，但是通常這樣的IC對走線寄生電感所產(chǎn)生的噪聲更敏感。這是因為其功率級開關(guān)節(jié)點僅是該IC本身的輸出引腳，該引腳將開關(guān)節(jié)點產(chǎn)生的高頻噪聲直接傳遞到控制部分，導(dǎo)致控制失常。

4 PCB走線的寬度、厚度與電感

對于長度為l、直徑為d的導(dǎo)線，其電感值可由式（1）表示。

(1)

式中：L和d的單位均為cm。

PCB走線電感的計算公式與導(dǎo)線電感公式區(qū)別不大，由式（2）表示。

(2)

式中：ω為走線寬度。

需要注意的是PCB走線電感基本與覆銅厚度無關(guān)。從以上對數(shù)關(guān)系可以看出，若PCB走線長度減少一半，則其電感值也減少一半。但走線寬度必須增加10倍才使其電感減少一半。即僅增加走線寬度用處不大，要減少電感應(yīng)使走線盡量的短。

過孔電感由式（3）計算，

(3)

式中：h為過孔深度，單位為mm，一般h等于板厚，通常為1.4mm~1.6mm；d為過孔直徑，單位為mm。對于1.6mm厚、直徑為0.4mm的過孔電感為1.2nH。雖然不大，但實際證明它也影響開關(guān)IC的工作，特別是在使用MOSFET時。因此，必須使用一輸入陶瓷電容為IC解耦，一定要注意該電容應(yīng)盡可能靠近IC引腳與PCB連接處，并且在該電容與IC引腳焊點之間不能有過孔連接。

事實上增加某些走線的寬度對電路工作可能是不利的。例如，對正輸入-正輸出buck變換器，從開關(guān)節(jié)點到二極管的走線電壓是變化的。任何帶有變動電壓的導(dǎo)體，不管它流過電流的大小，只要其尺寸足夠大就會形成E型天線。因此，應(yīng)該減少開關(guān)節(jié)點處的走線面積，而非增加它。這就是為什么要避免不當?shù)?ldquo;銅濫”的原因。唯一允許大面積覆銅的電壓節(jié)點就是接地點或外殼接地點，其它走線（包括輸入電源母線）都可能因寄生高頻噪聲而產(chǎn)生嚴重輻射效應(yīng)[10]。

減小電感的最好方法是減小長度，而不是增加寬度。若由于某些原因，走線長度不能進一步減小，則可以通過將電流前行和返回走線并行的方法來減小電感。電感之所以出現(xiàn)是因為它們存儲了磁能量，該能量存在于磁場中。反過來講，如果磁場消失，則電感也消失。通過將兩條電流走線平行布置，流過它們的電流大小相等方向相反，從而使磁場大大削弱。這兩條平行走線在PCB的同一面上時要靠的非常近。若使用雙面PCB，最好的辦法是將兩條平行走線置于板的兩面或者相鄰層的相對位置。為加強互耦以消去磁場，這些走線應(yīng)該盡量寬些。

對于大功率離線反激式變換器，二次側(cè)走線的電感會反射到一次側(cè)，從而極大地增加了一次等效漏感，使效率降低。當要應(yīng)付較大的電流而需并聯(lián)多個輸出電容時，這種情況就更為嚴重。但仍可利用消去磁場的方法來減小電感。

從產(chǎn)生噪聲的觀點上看，對所有拓撲，電感均不處于關(guān)鍵路徑，因此不必過多的擔(dān)心它的布線。但要考慮電感產(chǎn)生的電磁場，它會影響附近的電路及敏感走線，同樣會產(chǎn)生問題。因此，在一般情況下，若成本允許，最好使用屏蔽電感來解決這個問題。若條件不允許，應(yīng)將其置于遠離IC處，特別要遠離反饋走線[11]。

5 電力電子電路PCB的幾個關(guān)鍵走線

在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，某些走線的電流會瞬間停止，而另一些走線電流同時瞬間導(dǎo)通，他們均在開關(guān)轉(zhuǎn)換時間的100ns之內(nèi)發(fā)生，這些走線被認為是開關(guān)變換器PCB布線的關(guān)鍵走線。它們的布線應(yīng)該寬而短。每個開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，這些走線中都產(chǎn)生很高的di/dt，這個線路都混雜著細小但不低的電壓尖峰[6][7]。這主要是由寄生電感產(chǎn)生的電壓V=L×di/dt引起的。根據(jù)經(jīng)驗，每英寸走線的寄生電感約為20nH。MOSFET比BJT轉(zhuǎn)換速度更高，MOSFET的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間為10ns~50ns，而BJT一般為100ns~150ns。由于它們在其PCB關(guān)鍵走線中產(chǎn)生更高的di/dt，采用MOSFET開關(guān)的變換器將產(chǎn)生更惡劣的尖峰。對1嫉耐走線開關(guān)，在30ns的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間流過1A的瞬態(tài)電流，將產(chǎn)生0.7V的尖峰電壓。若是3A的瞬態(tài)電流流過2嫉耐走線，將產(chǎn)生近4V的尖峰電壓。噪聲尖峰一旦產(chǎn)生，不僅傳遞到輸入/輸出，影響變換器性能，而且還能滲透到IC控制單元，使控制功能失穩(wěn)失常，甚至使控制的限流功能失效，導(dǎo)致災(zāi)難性后果。

噪聲尖峰幾乎是觀察不到的。首先，各種寄生參數(shù)一定程度上幫助吸收尖峰噪聲。其次，用示波器探頭觀察時，探頭自身10pF ~20pF的電容也能吸收該類尖峰，從而看不到任何顯著信息。另外，探頭感應(yīng)了太多空氣傳播的開關(guān)噪聲，使觀察者難以確定所看到的到底是什么。

對于buck和buck-boost電路，輸入電容也處于關(guān)鍵路徑中。這意味著在這些拓撲中功率級需要有良好的輸入解耦裝置。因此，除了功率級所需要的大容量電容外（通常是大容量鉭電容或鋁電解電容），還應(yīng)在開關(guān)的電源側(cè)與最靠近開關(guān)的地端之間接入一小容量陶瓷電容，約0.1μF~1μF。

對于boost和buck-boost電路，輸出電容也處于關(guān)鍵路徑中。因此，該電路電容和二極管應(yīng)盡量靠近控制IC，在該電容兩端并聯(lián)一個陶瓷電容是有利的，但要求它不會引起環(huán)路不穩(wěn)定。

對buck電路，應(yīng)注意雖然要求輸出二極管盡量靠近IC/開關(guān)，但對輸出電容卻沒有嚴格要求，這是因為電感的存在使得該路徑電流平滑。若用一陶瓷電容與輸出電容并聯(lián)，則只是為了進一步降低輸出高頻噪聲和輸出紋波。但該做法并不可靠，特別是對于電壓控制模式，當輸出電容等效串聯(lián)電阻（ESR）值變得太小（小于100m ）時，可能造成環(huán)路嚴重不穩(wěn)定。

對所有拓撲結(jié)構(gòu)，二極管處于關(guān)鍵路徑。二極管連接開關(guān)節(jié)點，并通過節(jié)點直接連接到開關(guān)IC內(nèi)部。對開關(guān)IC，當buck變換器布線造成二極管距離IC太遠時，可通過在開關(guān)點與地之間（跨過二極管，靠近IC）并聯(lián)一個小型RC緩沖器來進行后級調(diào)整。該RC緩沖電路由一個10Ω~100Ω電阻（最好為低感型）與一個約470pF~2.2nF的電容（最好為陶瓷電容）串聯(lián)組成。注意電阻功耗為C×VIN2×f。所以不僅電阻瓦數(shù)應(yīng)選合適，電容容值也不能隨意增加，以避免效率損失太多。

通常認為最重要的信號走線是反饋走線。若這條走線吸收了噪聲，就會使輸出電壓產(chǎn)生些許偏移，極端情況下可能造成不穩(wěn)定或器件損壞。應(yīng)使反饋走線盡量的短，并遠離噪聲或磁場源（開關(guān)、二極管和電感）干擾。決不能將反饋走線置于開關(guān)、二極管和電感下方，即使是PCB的另一面的下方，也不能讓它靠近或平行噪聲走線超過2mm~3mm，即使PCB的鄰近層也要這樣考慮。有地處于中間層時，應(yīng)在層間提供足夠的屏蔽保護。

有時使反饋走線很短是不現(xiàn)實的。應(yīng)認識到使走線盡量短并非第一位的要求。事實上，經(jīng)常會有意識的將它布的長一些，以便使這些走線避開潛在的噪聲源。也可小心設(shè)計使部分反饋走線穿過沒有返回電流流過的地，這將使得它免受干擾[11]。

6 多層板的地

對多層板，通常的做法是將全部一層作為地。一些在這方面有經(jīng)驗的人認為，該方法能夠解決很多問題。已知每個信號都有回路，隨著諧波增高，其返回電流將不是沿著直流電阻最小的那條路徑，而是沿著地對應(yīng)電感最小的路徑，甚至是之字形路徑。因此，通過設(shè)置一層地，就能給返回電流提供阻抗最小的路徑，至于是直流電阻最小還是感抗最小，則取決于諧波頻率。地還能容性的吸收其上層走線的噪聲，從而一定程度的減少噪聲和電磁干擾。但若不小心也會造成輻射，這種情況可能在耦合了太多走線噪聲時發(fā)生。地并非十全十美，吸收了噪聲，它就會受到影響，特別是銅皮很薄時情況更為嚴重。若地為建立熱島或為其它形式路徑，被分割為不規(guī)則的圖形，電流流動方式就會變得不規(guī)則。地上的返回路徑將不能直接對應(yīng)其前向走線。此時，地也起魚骨天線的作用，產(chǎn)生EMI。

7 散熱問題

電力電子變換器的設(shè)計除了整機的熱設(shè)計外，PCB板的熱設(shè)計也十分重要。對于散熱，并非銅皮面積越大越好，銅皮較薄時更是如此。使用1in2以上的銅皮面積性價比已經(jīng)不高，但對覆銅厚度為2.8mil（70μm）或更厚的覆銅板銅面積可增大到3in。超過以上限制則需使用外部散熱器。功率器件表面與大氣的實際熱阻大約為30℃/W。即IC內(nèi)部每消耗1W溫度升高30℃?？衫媒?jīng)驗公式（4）來求出所需銅皮面積。

(4)

式中：P的單位為W，Rth為熱阻，單位為0C/W。

應(yīng)該指出，熱量并非都是從銅皮表面散失掉的。常用于SMT（表面處理技術(shù)）的板材粘層為環(huán)氧樹脂F(xiàn)R4，它是很好的導(dǎo)熱材料。安裝器件的一面產(chǎn)生的熱量可通過FR4傳遞到板的另一面，該表面接觸空氣可幫助降低熱阻。因此，即使在板的另一面設(shè)置銅平面，同樣也有散熱效果，但只可以減小10%~20%的熱阻。注意該背面的銅表面并不需要與散熱器件同電位，它可以是公共地的銅表面。還有一種可以大幅度減小熱阻的方法，可以減小約50%~70%的熱阻。它利用一排小過孔（也稱熱孔）將器件的產(chǎn)生的熱量從PCB的一面?zhèn)鞯搅硪幻妗Ｈ羰褂脽峥?，其孔徑?yīng)很小，內(nèi)徑為0.3mm~0.33mm，這樣可在過孔鍍過程中將它們填滿。熱孔太大會在波峰焊時產(chǎn)生焊芯，從而使孔中吸入大量焊錫，容易使孔附近器件產(chǎn)生虛焊點。對散熱區(qū)域，熱孔的間距一般為1mm~1.2mm，功率器件的周邊、近旁甚至散熱片下方都可以設(shè)置這類熱孔網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)散熱[11]。

8 結(jié)語

本文討論的大多數(shù)關(guān)于布線的建議與措施，能確保電力電子變換器的基本功能和基本性能。作為電力電子電路設(shè)計人員，應(yīng)首先了解變換器主電路電流的流向，從而識別出PCB中有麻煩的或者關(guān)鍵的走線，必須特別注意這些走線的布線。該走線的判定隨拓撲結(jié)構(gòu)的不同也不同。因此，不能用設(shè)計buck電路的方法來設(shè)計buck-boost電路PCB，其規(guī)律有很大差別，而很多PCB布線人員并不清楚這一點。因此，電源設(shè)計人員最好親自布線或用心指導(dǎo)PCB布線人員。