優(yōu)化PCB布局可提升轉(zhuǎn)換器性能

對于開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器而言，出色的印制電路板(PCB)布局對獲得最佳系統(tǒng)性能至關(guān)重要。若PCB設(shè)計不當(dāng)，則可能造成以下后果：對控制電路產(chǎn)生太多噪聲而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在PCB跡線上產(chǎn)生過多損耗而影響系統(tǒng)效率；造成過多的電磁干擾而影響系統(tǒng)的兼容性。

ZXLD1370是一款多拓?fù)溟_關(guān)模式LED驅(qū)動控制器，每個不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中都嵌有外部開關(guān)器件。該LED驅(qū)動器適用于降壓、升壓或降壓-升壓模式。

本文將以ZXLD1370器件為例，討論P(yáng)CB設(shè)計的考慮因素并提供相關(guān)建議。

考慮跡線寬度

對于開關(guān)模式的電源電路，主開關(guān)和相關(guān)功率器件載有大電流。用于連接這些器件的跡線具有與其厚度、寬度和長度相關(guān)的電阻。電流流經(jīng)跡線時產(chǎn)生的熱量不僅會降低效率，而且會使跡線的溫度上升。為了限制溫升，確保跡線寬度足以應(yīng)對額定開關(guān)電流非常重要。

以下方程顯示了溫升與跡線橫截面積之間的關(guān)系。

內(nèi)部跡線：I=0.024×dT0.44×A0.725

外部跡線：I=0.048×dT0.444×A0.725

其中：I=最大電流(A)；dT=高于環(huán)境的溫升(℃)；A=橫截面積(mil2)。

表1顯示了相對電流容量的最小跡線寬度。這是基于1oz/ft2 (35μm)銅箔在跡線溫度升高20oC下的統(tǒng)計結(jié)果。

表1：外部跡線寬度與電流容量(20oC溫升)。

對于用表貼器件設(shè)計的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用而言，PCB上的銅面亦可用作功率器件的散熱器。因傳導(dǎo)電流引起的跡線溫升應(yīng)被降到最低。建議把跡線溫升限制在5oC以下。

表2顯示了相對電流容量的最小跡線寬度。這是基于1oz/ft2 (35μm)銅箔在跡線溫度升高5oC下的統(tǒng)計結(jié)果。

表2：外部跡線寬度與電流容量(5oC溫升)。

考慮跡線布局

必須合理設(shè)計跡線布局，才能達(dá)到ZXLD1370 LED驅(qū)動器的最佳性能。以下指引可以讓基于ZXLD1370的應(yīng)用設(shè)計無論是在降壓模式還是升壓模式下都能獲得最大性能。

降壓模式

圖1顯示了ZXLD1370在降壓模式下工作的典型原理圖。主要開關(guān)回路由Q1、D1、L1及輸入去耦電容C3、由LED形成的負(fù)載、輸出濾波電容C5和檢測電阻組成。

圖1：ZXLD1370降壓LED驅(qū)動器的原理圖。

C2是ZXLD1370的去耦電容電源軌。要保障ZXLD1370的穩(wěn)定工作，C3應(yīng)以最短的PCB跡線長度，直接與ZXLD1370的VIN和GND腳相連。

為說明開啟和關(guān)閉階段的電流方向，圖2對原理圖進(jìn)行重新繪制，將開關(guān)電路放在了原理圖的右邊。

圖2：ZXLD1370降壓LED驅(qū)動器的開關(guān)電流回路。

在開啟階段(Q1開啟)，關(guān)閉階段遺留的電感電流將流過主開關(guān)Q1。開關(guān)電流路徑的突變將使導(dǎo)線(在圖中以紫色突出顯示，即Q1漏極和D1陰極之間的導(dǎo)線、Q1源極和C3之間的導(dǎo)線以及D1和C3之間的導(dǎo)線)內(nèi)產(chǎn)生較大的電流變化(di/dt)。

在關(guān)閉階段(Q1關(guān)閉)，開啟階段存儲的電感電流將流過續(xù)流整流器D1。開關(guān)電流路徑的突變將使紫色突出顯示的相同導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生較大的電流變化(di/dt)。

由開關(guān)產(chǎn)生的尖峰電壓的大小與突出顯示的跡線的電阻和寄生電感有關(guān)。要把開關(guān)產(chǎn)生的尖峰電壓降到最低，就需要確保這些跡線夠短、夠?qū)挕?/P>

圖3顯示了具備所有功率器件的降壓PCB布局。該布局示例具有以下特點(diǎn)：盡可能使Q1、D1和C3之間的跡線達(dá)到最短，這有助于減少跡線的電阻和寄生電感產(chǎn)生的噪聲；所有跡線都位于PCB的同一側(cè)，這有助于減少任何經(jīng)由過孔產(chǎn)生的噪聲。

圖3：ZXLD1370降壓LED驅(qū)動器的PCB布局示例。

升壓模式

圖4顯示了ZXLD1370在升壓模式下工作的典型原理圖。主要開關(guān)回路由Q1、D1、感應(yīng)電阻R1、L1及輸入去耦電容C3、由LED形成的負(fù)載和輸出濾波電容器C5組成。

圖4：ZXLD1370升壓LED驅(qū)動器的原理圖。

C2是ZXLD1370的電源軌去耦電容。為確保ZXLD1370穩(wěn)定工作，C3應(yīng)以最短的PCB跡線長度，直接與ZXLD1370的VIN的GND腳相連。

為說明開啟及關(guān)閉階段的電流方向，圖5對原理圖進(jìn)行重新繪制，將開關(guān)電路放在了原理圖的右邊。

圖5：ZXLD1370升壓LED驅(qū)動器的開關(guān)電流路徑。

在開啟階段(Q1開啟)，關(guān)閉階段存儲的電感電流將流過主開關(guān)Q1。開關(guān)電流路徑的突變將使導(dǎo)線(在圖中以紫色突出顯示，即Q1漏極和D1陰極之間的導(dǎo)線、Q1源極和C5之間的導(dǎo)線以及D1和C5之間的導(dǎo)線)內(nèi)產(chǎn)生較大的電流變化(di/dt)。

在關(guān)閉階段(Q1關(guān)閉)，開啟階段保存的電感電流將通過不受限制的整流器D1。開關(guān)電流路徑的突然轉(zhuǎn)變亦會使同一組導(dǎo)體內(nèi)的高電流(di/dt)發(fā)生改變，在圖中以紫色顯示。

由開關(guān)產(chǎn)生的尖峰電壓的大小與突出顯示的跡線的電阻和寄生電感有關(guān)。要把開關(guān)產(chǎn)生的尖峰電壓降到最低，就要確保這些跡線夠短、夠?qū)挕?/P>

圖6顯示了具備所有功率器件的升壓PCB布局。該布局示例具有以下特點(diǎn)：盡可能使Q1、D1和C5之間的跡線達(dá)到最短，這有助于減少跡線的電阻及寄生電感產(chǎn)生的噪聲；所有跡線都位于PCB的同一側(cè)，這有助于減少經(jīng)由任何過孔產(chǎn)生的噪聲。

圖6：ZXLD1370升壓LED驅(qū)動器的PCB布局示例。

本文小結(jié)

對于所有開關(guān)穩(wěn)壓器而言，精心的PCB布局對確保良好工作和降低輻射和傳導(dǎo)噪聲都至關(guān)重要。ZXLD1370在任何工作模式下都是如此。通過把布線長度減到最低，就可以避免產(chǎn)生較大的di/dt。打造出色PCB布局的關(guān)鍵在于了解電流路徑并借此進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計人員亦可計算出如何進(jìn)一步利用跡線圍繞功率器件，以獲得良好的散熱布局。