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开关电源设计的PCB布局

2015-7-30 14:42:38??????点击:

开关模式电源用于将一个电压转换为另一个电压。这种电源的效率通常很高,因此,在许多应用中,它取代了线性稳压器。

  开关频率与开关转换

  开关模式电源以一定的开关频率工作。开关频率既可以是固定的(例如在PWM型控制中),也可以根据某些因素而变化(例如在PFM或迟滞型控制中)。无论何种情况,开关模式电源的工作原理,都在于它有一定的开启时间Ton和一定的关闭时间Toff.一个50%占空比的典型开关周期。这意味着,在完整周期T的50%时间里,转换器中有某一电流;在另外50%时间里,转换器中有不同的电流。

  当我们考虑系统噪声时,实际的开关频率(换言之,周期长度T)并不是很重要。如果它在系统的敏感信号频率范围内,开关频率或其谐波可能会影响系统。但一般而言,开关频率并不是影响系统的最大因素。

  在开关模式电源中,真正重要的是开关转换的速度。我们可以看到开关转换在时间标度上的放大图。在周期T为2us的时间标度上,对于500kHz PWM开关频率,转换看起来像是一条垂直线。但放大后,我们可以看到,开关转换通常需要30到90ns的时间。


  为什么良好的PCB布局布线非常重要?


  每2.5cm PCB走线具有大约20nH的走线电感。确切的电感值取决于走线的厚度、宽度和几何形状,但根据经验,一般取20nH/2.5cm切实可行。假设一个降压稳压器提供5A的输出电流,我们将会看到电流从0A切换到5A.当开关电流很大且开关转换时间很短时,我们可以利用下面的公式,计算微小的走线电感会产生多大的电压偏移:

  假设走线长2.5cm(20nH),输出电流为5A(降压稳压器中的5A开关电流),MOSFET功率开关的转换时间为30ns,那么电压偏移将是3.33V.

  由此可见,仅仅2.5cm的走线电感就能产生相当大的电压偏移。这种偏移甚至常常导致开关模式电源完全失效。将输入电容放在离开关稳压器输入引脚几厘米的地方,通常就会导致开关电源不能工作。在布局布线不当的电路板上,如果开关电源仍能工作,它将产生非常大的电磁干扰(EMI)。

  在上面的公式中,我们唯一能改变的参数是走线电感。我们可以使走线尽可能短,从而降低走线电感。较厚的铜线也有助于降低电感。由于负载所需的功率固定,因此我们无法改变电流参数。对于转换时间而言,我们可以改变,但一般不想改变。减慢转换时间可以降低产生的电压偏移,从而降低EMI,但是开关损耗却会提高,我们将不得不以较低的开关频率并利用昂贵而庞大的电源器件工作。


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