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PCB布局挑戰——改進(jìn)您的開(kāi)關(guān)模式電源設計
PCB布局挑戰——改進(jìn)您的開(kāi)關(guān)模式電源設計
芯片制造商經(jīng)常試圖讓設計師和愛(ài)好者使用現代Web應用程序甚至電源設計軟件來(lái)實(shí)現大多數SMPS變得異常簡(jiǎn)單。備份軟件的是應用筆記，建議其特定IC的正確PCB布局。
盡管當今的設計軟件通常非常出色，但問(wèn)題是大多數應用筆記都可能是錯誤的，至少部分如此。事實(shí)上，一些行業(yè)專(zhuān)家指出，在被證明正確之前，他們應該被認為是錯誤的 。
為了正確看待這個(gè)概念，我們可以回顧一下我最近的愛(ài)好者設計，它有這些隱藏的問(wèn)題。它有效嗎？絕對地。它會(huì )通過(guò)EMC輻射和傳導發(fā)射嗎？也許。
首先，讓我們談?wù)剢?wèn)題出在哪里，然后討論我在設計中做的不好的地方以及如何改正它。
隱藏的PCB布局威脅——PCB耦合
與SMPS相關(guān)的EMC原則通常要求設計人員在SMPS布局中密切關(guān)注兩個(gè)耦合因素，如圖 1 所示：
電壓開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，具有高 dv/dt
“熱電流回路”，其中包含子系統中最高的 di/dt
圖 1.顯示降壓轉換器di/dt和dv/dt位置的示意圖。
這里起作用的機制和風(fēng)險是將不需要的能量以電容 (dv/dt)和電感 (di/dt)耦合到系統的其他部分，或者更糟的是，以輻射和傳導發(fā)射的形式離開(kāi)系統。
PCB設計后期制作回顧
深入研究該項目，我們將檢查LM22678 5A 轉換器的PCB布局（圖 2），其V in為12 V（未顯示）和V out為5 V。這是一個(gè)使用非同步降壓轉換器用于其低側開(kāi)關(guān)元件 的B130L-13-F肖特基二極管（是的，在您檢查之前 - 系統消耗的電流低于二極管的 1 A 額定值?。?。
圖 2. 12 V至5 V非同步LM22678降壓轉換器的原理圖。
最小化電容和電感耦合通常并不復雜，但很容易被忽視，從而導致排放測試失敗和市場(chǎng)延遲。下面，在圖3中，我們看到了用于非同步降壓穩壓器的TO-263封裝的布局，其中確定了電壓節點(diǎn)（紅色輪廓）和熱電流環(huán)路（黃色輪廓）。
圖 3.具有低側功率二極管的非同步降壓穩壓器設計。
為清楚起見(jiàn)，板上的銅填充物已被隱藏?？偟膩?lái)說(shuō)，這種設計存在三個(gè)明顯的問(wèn)題：
高di/dt環(huán)路遠大于所需的
沒(méi)有過(guò)孔連接 C IN 或C OUT的GND節點(diǎn)（它們被接地覆蓋）
開(kāi)關(guān)節點(diǎn)可以更小
這些設計選擇的最終效果意味著(zhù)電流環(huán)路沒(méi)有得到很好的控制，并且由于平面之間沒(méi)有通孔，電流沒(méi)有明確定義的路徑返回源極。
對于 EMC——（電氣）沉默是金
改進(jìn)后的布局如下圖4所示。它具有優(yōu)化的電壓節點(diǎn)、更小的熱回路以及每個(gè)無(wú)源元件的第 2 層參考平面的通路。此外，初級C OUT電容器也相對于原始設計旋轉了90度，從而降低了輸出軌上的噪聲風(fēng)險。
圖 4.改進(jìn)后的布局考慮了耦合機制。
通過(guò)在開(kāi)關(guān)引腳和電感器之間串聯(lián)移動(dòng)低端二極管，我們可以更好地限制由高 dv/dt 耦合效應產(chǎn)生的潛在串擾噪聲。此外，通過(guò)減少熱回路幾何形狀，高di/dt 磁場(chǎng)耦合的影響也降低了。
盡管這些變化很小，但它們不需要額外的電路板空間或改組其他子系統。然而，通過(guò)將電流環(huán)路減少約 50% 并優(yōu)化電壓節點(diǎn)，無(wú)疑增強了系統的合規性。
當您設計符合CISPR EMC 標準的商業(yè)產(chǎn)品時(shí)，每一個(gè)dBμV都很重要，設計階段的微小變化可能意味著(zhù)發(fā)布有利可圖或錯過(guò)市場(chǎng)窗口之間的差異。
關(guān)鍵要點(diǎn)
了解電流回路在開(kāi)關(guān)電源中的流動(dòng)位置
保持節點(diǎn)和回路的幾何形狀小，以減輕不必要的耦合效應
使 C IN 遠離或 C OUT 有助于隔離電流環(huán)路感應場(chǎng)，并防止 dv/dt 串擾
將焊盤(pán)連接到通孔，而不僅僅是接地填充銅，以幫助限制返回電流