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技術(shù)專(zhuān)題
高壓SMPS PCB布局可將熱量和噪音降至最低
無(wú)論是執行AC-DC轉換還是DC-DC轉換，開(kāi)關(guān)電源布局在高壓設計中都很常見(jiàn)，必須仔細構造。盡管該系統非常普遍，但由于開(kāi)關(guān)期間電壓和電流的快速變化，它很容易輻射EMI。設計人員很少能將現有設計應用于新系統，因為一個(gè)區域的微小變化會(huì )產(chǎn)生難以診斷的EMI問(wèn)題。
通過(guò)正確的布局選擇和布線(xiàn)，可以防止噪聲成為SMPS輸出上的重要問(wèn)題?？梢再徺I(mǎi)低電壓轉換器作為具有不同形狀因數的IC，但是高電壓轉換器將需要由專(zhuān)用板上的分立組件生產(chǎn)。以下是一些重要的SMPS PCB布局技巧，可幫助您保持組件冷卻并防止系統中出現噪聲問(wèn)題。
SMPS PCB布局中的噪聲和熱量問(wèn)題
沒(méi)有解決之道：由于晶體管驅動(dòng)器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，任何SMPS都會(huì )產(chǎn)生中等程度的高頻噪聲。實(shí)際上，您是在將低頻紋波（即，在AC-DC轉換過(guò)程中從全波整流器產(chǎn)生）轉換為高頻開(kāi)關(guān)噪聲。盡管此轉換產(chǎn)生更穩定的直流輸出，但仍然存在兩個(gè)重要的噪聲源：
來(lái)自開(kāi)關(guān)元件的直接開(kāi)關(guān)噪聲。
系統中其他地方的瞬態(tài)噪聲。
噪聲會(huì )以傳導噪聲和輻射噪聲的形式出現在SMPS單元的輸出上。盡管每個(gè)問(wèn)題的原因都很難診斷，但可以輕松地區分兩種類(lèi)型的噪聲。SMPS PCB布局中的其他設計挑戰是板上產(chǎn)生的熱量。雖然這可以通過(guò)選擇正確的PWM頻率，占空比和上升時(shí)間來(lái)影響，但您仍然需要在電路板上使用正確的熱管理策略?？紤]到這兩個(gè)挑戰，讓我們看一下SMPS PCB布局中要注意的一些細節。
熱管理
理想的SMPS將耗散零功率，盡管實(shí)際上并不會(huì )發(fā)生這種情況。您的開(kāi)關(guān)晶體管（以及用于AC-DC轉換的輸入變壓器）將耗散絕大部分的熱量。即使在開(kāi)關(guān)電源拓撲中效率可以達到90％，功率MOSFET仍可以在開(kāi)關(guān)過(guò)程中散發(fā)大量熱量。此處的常見(jiàn)做法是將散熱器放置在關(guān)鍵的開(kāi)關(guān)組件上。確保將它們重新連接到接地層，以防止產(chǎn)生新的EMI。
在高壓/大電流電源中，這些散熱器可能會(huì )很大。您可以通過(guò)在機箱上安裝風(fēng)扇來(lái)增強系統的散熱能力。同樣，確保遵循有關(guān)為該風(fēng)扇供電的很好實(shí)踐，以防止出現新的EMI問(wèn)題。
一些SMPS PCB布局技巧
您的堆疊
您的布局將在某種程度上幫助進(jìn)行熱管理，但這是EMI敏感性的更大決定因素。通常，通過(guò)在輸入和輸出電路上使用EMI濾波器來(lái)處理傳導噪聲。像高速/高頻系統中的許多EMI問(wèn)題一樣，您的堆疊將是抵抗輻射EMI的主要決定因素。
SMPS運行的相關(guān)頻率范圍為?10 kHz至?1 MHz，因此輻射的EMI將感應感應噪聲。因此，您想將接地層與所有電源組件一起直接放置在表層下面的疊層中。這將確保表層電路的低環(huán)路電感。通常會(huì )通過(guò)在輸出端進(jìn)行濾波來(lái)消除傳播到輸出端的任何感應噪聲信號。
瞬態(tài)振鈴
瞬態(tài)是一個(gè)更難解決的問(wèn)題，因為它們與您的疊層，布線(xiàn)，過(guò)孔的存在以及去耦/阻抗過(guò)大有關(guān)。與高速設計中的情況一樣，請勿將任何攜帶開(kāi)關(guān)信號的銅布線(xiàn)到接地層的間隙上，因為這會(huì )形成某種類(lèi)型的天線(xiàn)結構，該結構在瞬變時(shí)會(huì )強烈輻射。這些瞬變往往是高頻的（從10到100兆赫的任何地方）。
瞬態(tài)振鈴的問(wèn)題是阻抗管理問(wèn)題。高阻抗會(huì )導致強烈的電壓紋波。組件應以正確的焊盤(pán)圖案放置，以最小化電路板PDN中的阻抗。您的組件的好壞焊盤(pán)示例如下所示。
布局中元件的好壞
最后，一般不要在布局中保留任何孤立的孤島。使用去耦電容器將可能包含控制電路或無(wú)源元件的任何功率孤島連接回接地/接地層。在這種情況下，請小心放置任何通孔，因為您不想在接地平面上創(chuàng )建意外的缺口或插槽。