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正確的印刷電路板(PCB)布局是成功實現(xiàn)電源設(shè)計的最重要因素之一。非隔離型電源段是電源系統(tǒng)的基本構(gòu)建模組。理解電流的流向以及高頻回路如何構(gòu)成，可說是PCB設(shè)計中最重要的一步。

 

本文討論降壓、升壓和單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)電源段的電源設(shè)計技巧。

 

降壓轉(zhuǎn)換器

首先，我們采用一個輸出電壓較輸入電壓低的降壓轉(zhuǎn)換器。圖1顯示這種降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖和PCB布局。

 

圖1：這個簡化的原理圖中包含了輸入和輸出電容、電感、開關(guān)電晶體和阻流二極體

 

在脈沖寬度調(diào)變器(PWM)的導(dǎo)通期間，電流沿綠色箭頭所示的路徑流動，從輸入電容經(jīng)過開關(guān)電晶體到電感。在PWM關(guān)斷期間，電流繼續(xù)沿粉色箭頭路徑流經(jīng)電感。這意味著輸出具有連續(xù)流動的電流。輸入的高頻電流在每個周期導(dǎo)通與關(guān)斷一次。在此電源段布局中最重要的部份是減少高頻回路。圖1上半部份中的藍(lán)色箭頭反映的就是這個回路。在電晶體導(dǎo)通期間，電流短暫地通過二極體D1流到接地。在這段時間內(nèi)，如果輸入電容彼此間靠的不是很近，那么這個大電流突波可能會導(dǎo)致一些設(shè)計問題。

 

確保電源走線或電源平面有足夠的寬度承載電源電流。一般來說，除了開關(guān)節(jié)點(diǎn)外，電源平面應(yīng)該盡可能大。開關(guān)節(jié)點(diǎn)上有較大的dV/dt訊號，可能會藕合到PCB布局的其它部份，因此盡量減小其表面積更能實現(xiàn)良好的設(shè)計。使用多個過孔連接不同層的電源平面。簡單的經(jīng)驗規(guī)則是每個過孔(10mil鉆孔)不要超過1A的電流。如果能打造一個像PCB一樣大的連續(xù)接地面，將有助于減少雜訊和高頻回路。

 

升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器用于從較低的輸入電壓產(chǎn)生一個較高的輸出電壓。你可以在升壓轉(zhuǎn)換器中使用與降壓轉(zhuǎn)換器中相同的過程來辨識關(guān)鍵路徑和回路。

 

圖2：升壓轉(zhuǎn)換器的原理圖和PCB布局

 

在PWM導(dǎo)通期間，電流從輸入端經(jīng)過電感流到開關(guān)電晶體(綠色箭頭所示)。在此期間，能量在電感中不斷累積，然后在PWM關(guān)斷時轉(zhuǎn)移到輸出。現(xiàn)在電流沿著粉色箭頭流動，從輸入流到輸出。這意味著輸入側(cè)的電流是連續(xù)的。輸出端的電流是一種高頻開關(guān)電流。為了盡量減少高頻雜訊，必須使圖中藍(lán)色所示的回路盡可能最短。

 

在電晶體導(dǎo)通期間，電流只短暫地從輸出經(jīng)二極體流到接地。這個電流如果沒有正確地被輸出電容加以分流，就可能導(dǎo)致電源設(shè)計發(fā)生問題。用于降壓轉(zhuǎn)換器的通用布局技術(shù)同樣可以應(yīng)用于這種升壓轉(zhuǎn)換器。盡量減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積，并使用多個過孔連接到接地面。

 

SEPIC轉(zhuǎn)換器

當(dāng)輸入電壓比輸出電壓高或低時，都可以使用SEPIC轉(zhuǎn)換器。這種電源轉(zhuǎn)換器在輸入電壓低于輸出時可以發(fā)揮升壓的作用，而當(dāng)輸入電壓高于輸出時又可以發(fā)揮降壓的作用。這種電路使用兩個電感或單一個藕合型電感。

 

圖3：使用藕合電感的SEPIC電源段原理圖和PCB布局

 

因為有兩個電感，因此在開關(guān)周期的每個部份都有兩條電流路徑。在PWM導(dǎo)通期間，電流沿著綠色箭頭流動，并在電感中累積能量。當(dāng)PWM關(guān)斷時，能量透過粉色電流路徑轉(zhuǎn)移至輸出端。在這種SEPIC設(shè)計中，輸入部份的電流是連續(xù)的。輸出端表現(xiàn)出高頻開關(guān)電流，因此需要盡量減小圖中藍(lán)色所示的回路。建議使用靠近輸出電容的過孔連接到接地面。接地面可以在所有元件之間提供一條低阻路徑，從而降低雜訊。

 

結(jié)語

電源布局設(shè)計是一個極富技巧性的任務(wù)。第一步是判斷電源中的電流是如何流動，然后找出并盡量減少高頻回路。接下來使用接地面和電源平面以非常低的阻抗方式連接元件。確保所用的平面有足夠的寬度承載設(shè)計的電流。高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)要盡可能最小，以減少雜訊藕合到其它訊號的機(jī)會。利用許多過孔連接各種不同器件的大型、連續(xù)接地面，也可能成為一項很好的設(shè)計。