技術(shù)小貼士:設(shè)計開關(guān)電源時需要注意的一些關(guān)鍵問題
對于開關(guān)電源的噪聲,除了芯片本身,Layout的設(shè)計最為重要,記錄一些相關(guān)的技巧。不少關(guān)于EMI的觀念具有通用性。下面我們談?wù)勱P(guān)于開關(guān)電源設(shè)計的一些關(guān)鍵問題。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/226658.htmAC和DC電流路徑
開關(guān)電源在導(dǎo)通和關(guān)閉兩種狀態(tài)下的電流回路不盡相同,于是在部分支路上會出現(xiàn)階躍電流(step current)(圖1. C),這就是所謂需要關(guān)注的AC電流路徑。
以PCB走線20nH/inch計算,典型buck converter的AC電流路徑上電流變化大約是開關(guān)電源關(guān)閉轉(zhuǎn)換時負載電流大小的1.2倍,是導(dǎo)通轉(zhuǎn)換時負載電流的80%。高速場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)換時間為30ns,Bipolar的轉(zhuǎn)換時間為70ns;根據(jù)V=L*dI/dt,當(dāng)轉(zhuǎn)換時間(transition time)為30ns的1安培電流流過的一英寸走線將產(chǎn)生0.7V的電壓,相同時間3安培兩英寸走線就是4V!所以第一條準(zhǔn)則便是:吝惜AC電流路徑走線長度。
此外電源芯片的GND腳走線盡可能短以防止出現(xiàn)“地彈”(ground bounce),輸入電容位置應(yīng)靠近芯片。
元件要“扎堆”
最大的遺憾是不能把元件重疊起來,因此究竟先考慮哪個元件就十分重要了。
準(zhǔn)則一:輸入端的兩個電容Cin和Cbypass。
輸入端電容的作用是抑制輸入電壓的波動。輸入電壓的波動主要來自電源開關(guān)時的脈沖輸入電流,Bulk電源的輸出電流較平整(LC串聯(lián)電路);Boost電源的情況正好相反,輸入電容電流平整,脈沖電流進入輸出電容。原文還提及了Buck-Boost或“flyback”(回掃),Cuk(據(jù)說這種是理想的DC-DC轉(zhuǎn)換器,不存在所謂AC電流路徑,輸入輸出全是平整電流,沒玩過L)等電源,其輸入輸出電容上的電流狀況取決于各自的拓撲結(jié)構(gòu)。
在開關(guān)電源導(dǎo)通的瞬間,大部分脈沖電流來自Cbypass,其余部分主要來自Cin,只有那些緩慢變化的電流才來自DC輸入電源。因此輸入電容實際為芯片提供了脈沖電流源,如果輸入電容的ESR和ESL太高會造成不必要的高頻輸入電壓紋波,我們看到這句話千萬不可理解為要無限加大輸入電容,由開關(guān)頻率(100K-260K)產(chǎn)生的自然輸入電壓紋波不在考慮范圍,俺們考慮的是在轉(zhuǎn)換瞬間頻率為10MHz-30MHz噪聲,特別的對于高速開關(guān)電源(這里的高速和開關(guān)的頻率并無多大關(guān)系,而是指開關(guān)的轉(zhuǎn)換時間,F(xiàn)ET速度快于Bipolar),將一個0.1uF-0.47uF的貼片電容Cbypass盡可能靠近芯片,Bulk電容Cin個頭大,可以距離稍遠(一英寸)。
準(zhǔn)則二:Cbypass電容和開關(guān)電源芯片親密接觸!
環(huán)流二極管(catch diode,有時也用MOS管)的位置也至關(guān)重要,它和芯片的連線是開關(guān)電源最為活躍的地區(qū),處理不好的走線電感會在輸出方波信號上疊加毛刺電壓。
準(zhǔn)則三:環(huán)流二極管緊貼IC,連接IC的SW pin以及GND pin形成一個緊湊的回流路徑。如果已經(jīng)遇到了毛刺電壓,可以加一個RC緩沖器(RC snubber)吸收走線寄生電感引起的噪聲,位置也必須靠近IC的開關(guān)腳和地腳,典型的R值為10ohm-100ohm,C值為470pF-2.2nF(電容值過大會造成不必要的功率損耗,1/2*C*V2*f)。加寬走線對減少寄生電感有用嗎
基本沒用,相反會造成EMI輻射
增加10倍走線寬度可以降低1/2的寄生電感,近似無效的投入!增加銅箔厚度也沒用。在AC回路所包含的區(qū)域電場和磁場的交互作用會向外輻射噪聲,假如包含的區(qū)域較大那就正好起到了“發(fā)射天線”的作用。準(zhǔn)則四:減小AC電流回路面積,減小AC電壓銅箔面積,可以降低EMI輻射。要降低寄生電感,最先考慮減小走線長度。
鋪銅鋪到何時休
1) 承載電流的能力
走線電阻在阻礙電流流過的時候會產(chǎn)生熱量,給個經(jīng)驗準(zhǔn)則五:
對于5安培以下電流,溫度上升容限30°C
1盎司銅厚(1.4mil)每安培走線寬度至少增加12 mils
2盎司銅厚(2.8mil)每安培走線寬度至少增加7 mils
2) 走線電感
減小走線電感的最佳辦法是增加完整的地層,電流不會無休止的朝著一個方向流下去,它一定會找到它最喜歡的返回路徑。之前關(guān)于走線電感的估算都是建立在回流路徑非常大,假設(shè)單根導(dǎo)線的情況。如果有一個完整的地層處于走線的下方,回流路徑就是走線在地層上的“鏡像”,平行的兩根導(dǎo)體電流流向相反時磁場互相抵消,寄生電感也隨之減小。
3)散熱管理
沒太多可以討
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