电源硬件设计----开关电源布局设计要领

1 开关电源布局设计基本介绍

1.1 开关电源布局设计的意义

布局不能解决开关电源的全部问题
但不能因为布局使开关电源出问题

1.2 开关电源布局设计的特征

能量密集，信号密集，干扰密集
拓扑级高频高压大电流与控制级小信号交织在一起
高压电网与日常应用的主要能量通道，是影响电气安全的关键因素
复杂的高频信号线，严峻的电磁兼容环境

1.3 开关电源布局设计的要素

设计要素，如图所示：

设计要素- -原理图

理解设计指标、拓扑含义、能量变换过程
划分功能模块
清理主要电流通道
电压、电流、信号分类
看懂接地网络、驱动控制原理、关键环节
了解元器件作用，理解器件参数
看出电路的特色、电路的问题

设计元素- -元件、封装

开关电源中，元件的含义不仅仅是元件功能的概念，封装的含义也不仅仅是平面、空间的概念，还兼有电气间距、耐压、热功率、EMC特性、机械应力、失效模式的概念

设计要素- -连接

开关电源中，电气连接不仅仅是信号的通道，也不仅仅是焊盘、敷铜、过孔、层等布局要素，还包括能量通道、分布参数、热传递、EMC结构的概念

设计要素- -间距、绝缘

安规间距、爬电距离必须满足
电气间距，与电压有关的间距
工艺间距，与电压无关，只与工艺有关的间距
基本绝缘
附加绝缘，基本绝缘不够时的加强绝缘

视为不绝缘的情形

PCB表面绝缘漆、丝印层
电解电容热缩外壳
器件表面的保护性绝缘涂层
外漏或可能与PCB接触的磁芯、漆包线

设计要素- -热功率

载流密度：敷铜过流能力，加强过流措施
热功率、热应力、热传导、热分布，从某种意义上说，开关电源的设计，更多的是热设计
对功率密度的追求不仅是对产品档次和使用便利的追求，也是对效率、EMC、成本和环保的追求

设计要素- -工艺结构

结构：物理的、机械的、外观的、模块化的
工艺环境：PCB、贴装、插件、焊接、装配、老化、测试
应用环境：防护性、通用性、专用性、适应性、易维护性

设计要素- -电磁兼容

2 开关电源布局设计要领

2.1 开关电源布局要点(三圈两地)

电流分类：

输入电流Ii
输出电流Io
拓扑电流It
高频脉冲电流Ip

2.2 脉冲电流Ip回路(第一个圈)

特性：

最强干扰激励源
其他EMC干扰的源泉

结构：

一个电流环路
一个热点结构
一个滤波结构
一段地线

信号：

环路脉冲电流信号(磁场干扰)
热点脉冲电压信号(电场干扰)
滤波残留信号(残留信号)
接地电位差

2.3 拓扑电流It回路

特征：

拓扑能量通道
与电感串联
拓扑典型电流波形
高频脉冲电流
It回路与Ip回路有部分重叠

It与Ip回路共地：共地点即为拓扑接地中心GND

It与Ip回路映射到副边：

与原边开关的两个动作相对应
变压器漏感介入其中
其脉冲电流也可能映射到原边
处于系统最末端

2.4 布局要点–脉冲电流回路最小化

意义：

开关电源布局设计的首要任务
抑制开关电源电磁干扰最有效的方法

措施和方法：

理解拓扑、找出所有脉冲电流回路
最短路径连接
用电气并联的方式就近增加一个电容形成更小的回路
使用更紧凑的工艺和封装

优先原则：脉冲电流回路优先、输出侧优先、接地优先

评估：

热点面积评估
接地噪音电平评估
拓扑接地中心评估
磁场电场对整体EMC干扰的评估
不良耦合评估
滤波残留信号评估
器件应力评估

2.5 拓扑接地中心GND

意义：

把系统接地以最小噪音传递到输出
获得一个最小噪音的接地基准参照

布局技巧：

两个脉冲电流回路最小化是前提
所有拓扑连接在此一点接地
输入输出非接地端从电容根部引出

地和热点：

不能接地的地方是热点
热点分布范围最小化布局
热点屏蔽接地

2.6 驱动电流回路

任务和目的：

开关电源的所有操控，最终都由对开关的精确驱动来体现
保持驱动波形的正确

布局特点：

驱动电流Ig回路最小化
驱动地从开关源极根部单独引出

2.7 控制接地中心GND

VCC滤波电容Cg：

本质上驱动电流Ig是它的输出电流
它是驱动芯片所有内部电路的滤波电容
它的端电压才是控制电路的基准电平
它的负极成为控制接地中心gnd

布局要点：

VCC滤波电容Cg贴近芯片布局
驱动与拓扑共地时GND-gnd连接
GND-gnd连接保持信号仅Ig
所有控制信号需在gnd一点接地
VCC电源需单独走线到Cg两端

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