經典電路分析-直流電源模塊
本期講解的是PCB設計中經典電路的分析--直流電源（DC-DC）模塊介紹。
直流電源電路組成
DRC Check
無隔離降壓轉換器，如下圖：
電流環路組成部分：
輸入迴路：VIN正極到CIN到VIN負極的迴路
電源開關迴路：CIN到SW到L到電容回到CIN的迴路
整流迴路：二極體到電感L到電容回到二極體的迴路
輸出迴路：電容到負載的迴路
BUCK型開關電源各工作點信號介紹
1、開關電源各節點電流介紹：
在開關電源輸出負載恆定的情況下，開關電源的各點輸出波形，對於脈衝波形，它是一個干擾源，但如果輸出負載發生突變，則輸出電流也隨之發生變化，故對於電流的輸出也需要注意。
2、開關電源各節點電壓介紹：
對於電壓波形，只需要關心電感L的左端，脈衝波形的幅值取決於輸入電壓的大小。
3、開關電源的構成
（1）輸出電源
（2）輸入濾波電容
（3）開關管
（4）磁性元件
（5）輸出濾波
（6）採樣電路
（7）控制驅動電路和保護電路
直流電源設計基本原則
DRC Check
1、布局應盡量滿足以下要求：
總的連接儘可能短，關鍵信號線最短，高電壓大電流信號與小電流分開，低電壓的弱信號分開，模擬信號與數字信號分開，高頻信號與低頻信號分開，高頻元器件的間隔要充分。
對於DC-DC電源來講，最重要的部分包括：輸入輸出電容、電感、MOSFET、在Layout時這些器件要盡量靠近IC放置，形成環路要越小越好，器件之間不要布置其他電路。
功率部分和控制部分分開布局，功率迴路一般都是大電壓，大電流，大功率的電路，干擾比較大。而控制電路都是低電壓的，如果把控制部分放到功率部分，控制部分受干擾是可能性非常大，尤其是電源模塊在單面布局的情況下。
走線儘可能短而粗，能鋪銅的盡量鋪銅皮，因為銅皮可以改善轉換器件的散熱條件，同時銅皮可以捕獲射頻能量並通過渦流的形式很好的消耗掉，減少電磁干擾。
2、電源地處理。
（1）功率地和控制地要分開處理，單點連接濾波電容的接地管腳等處。
（2）數字地和模擬地要分開，如果直接將兩種地連接在一起，某些情況下回造成嚴重後果。
（3）因為存在耦合電容和分布電容，電容和地之間會有相同的AC電勢，因此電源平面也要分開。
（4）數字地與模擬地平面需要分開，不可交迭，如果交迭，數字的高速雜訊會通過分布電容，耦合到模擬平面。
本期講解的是PCB設計中經典電路的分析--直流電源（DC-DC）模塊。
EMI問題
DRC Check
驅動晶元到開關管的距離要短，驅動信號線和地線之間的環路要最小，驅動信號也是一個di/dt的干擾源，環路也要進行有效控制。
每個開關電源有四個功能環路，每個環路和其他環路分開，不要出現電流環路重疊的情況，尤其不要輸入輸出交叉的情況。
變壓器和電感正下方要挖空或鋪碎銅，不要把其他網路深入到變壓器或電感下面，因為變壓器是一個主要的磁場源，近場的輻射很大，控制部分的網路和出入輸出的網路不要跟變壓器距離過近。
動點（開關器件和電感器件連接的點）的面積要嚴格控制，滿足通流要求即可，不允許出現多餘的跟通流無關的動點面積，一般的做法是：走線的寬度盡量大。
【說明】動點是一個大的dv/dt源，如果走線很長或面積很大，動點對大地的耦合電容會加大，等效天線的輻射效率也會增大，干擾會加大。
電感與上下MOSFET管儘可能的靠近以減少EMI的干擾問題。（一般控制在15mm）
High side和Low side MOSFET的gate driver與phase的路徑長度要小於20mm，寬度保持在30mil以上，並且三條信號盡量平行（走線不要交叉）。
敏感信號的處理
DRC Check
頻率設定電路，電壓電流採樣電路，受到干擾會使輸出變得不穩定，layout時要特別注意。
電源是一種模擬和數字的混合信號，電源模擬部分的信號是弱信號，微小的干擾都可能導致不能正常工作，在layout時要設法減少對模擬電路的干擾，使電源穩定可靠的工作。為此，晶元的濾波電容要優先靠近晶元放置，數字電路和模擬電路隔開，模擬部分不可以走數字信號。
模擬信號地和數字信號地要隔開，一般處理方法是小信號地連接在一起，在和其他地連接(單點連接)，反饋信號走線要盡量短，走線區域要乾淨，對電流採樣信號要走差分形式，最好等長，晶元不能放在電感下面，反饋信號不能穿過電感，晶元和電感最好隔開一段距離。需要強調的是第平面可以隔開電場，但不能隔開磁場，電感是強磁場器件，工作時其周圍有較大磁場。
電流採樣走線準則
1、盡量減小採樣電阻（電感）與控制IC之間的距離，並且保證採樣電阻（電感）與IC之間的走線採用偽差分的形式，
2、走線的寬度盡量短。
熱設計問題
DRC Check
1、電源中的發熱器件:電感、MOSFET大電流採樣電阻，驅動晶元和輸出電容，其中最熱的器件是電感和MOSFET，發熱元器件放在易散熱的地方，避免集中放置。
2、不能上下疊層放置，避免局部過熱，layout時對不會產生電磁輻射的發熱器件可以增加銅皮面積。銅皮最好接地，避免懸空的銅皮，這樣可以避免天線效應，又能更快的散熱。
3、在布置元器件時，元器件與元器件之間，元器件與結構件之間應保持一定的距離，以利用空氣流動，增強對流換熱。
4、在PCB上安裝各種元器件時，應將功率大，發熱量大的元器件放在邊沿和頂部，以利於散熱。
5、在布置元器件時，應將不耐熱的元件（如電解電容器等）放在靠近進風口的位置，而將本身發熱而又耐熱的元件（如：電阻/變壓器）放在靠近出風口的位置。
提高轉換效率
DRC Check
損耗的分類：開關損耗、導通損耗、附加損耗、電阻損耗。
1、要獲得很高的轉換效率，需要減少MOSFET的導通時間，對驅動晶元來說，就是要有較大的驅動電流，為此需要使驅動信號走線又短又粗，減少走線電感和MOSFET柵極電容之間的LC常數；
2、增加主要迴路的通流面積，減少走線電阻導致的損耗。
以上便是PCB設計中經典電路分析--直流電源模塊的介紹
下期預告：經典電路分析--時鐘電路
請同學們持續關注【快點兒PCB學院】公眾號
中國唯一經人社部、中國職協聯合認證的高速PCB設計考試認證/培訓就業平台
中國最具影響力的高速PCB設計B2C平台
1000餘家企業一鍵發布需求，5000餘位layout工程師輕鬆接單~
關注快點PCB學院，新鮮出爐的行業信息/技術乾貨馬上呈上~
TAG:快點PCB |