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降压、升压和SEPIC转换器的PCB设计

发布时间 :2017-09-11 17:01 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
正确的印刷电路板(PCB)布局是成功实现电源设计的最重要因素之一。非隔离型电源段是电源系统的基本构建模组。理解电流的流向以及高频回路如何构成,可说是PCB设计中最重要的一步。
 
本文讨论降压、升压和单端初级电感转换器(SEPIC)电源段的电源设计技巧。
 
降压转换器
首先,我们采用一个输出电压较输入电压低的降压转换器。图1显示这种降压转换器的原理图和PCB布局。
 
这个简化的原理图中包含了输入和输出电容、电感、开关电晶体和阻流二极体
图1:这个简化的原理图中包含了输入和输出电容、电感、开关电晶体和阻流二极体
 
在脉冲宽度调变器(PWM)的导通期间,电流沿绿色箭头所示的路径流动,从输入电容经过开关电晶体到电感。在PWM关断期间,电流继续沿粉色箭头路径流经电感。这意味着输出具有连续流动的电流。输入的高频电流在每个周期导通与关断一次。在此电源段布局中最重要的部份是减少高频回路。图1上半部份中的蓝色箭头反映的就是这个回路。在电晶体导通期间,电流短暂地通过二极体D1流到接地。在这段时间内,如果输入电容彼此间靠的不是很近,那么这个大电流突波可能会导致一些设计问题。
 
确保电源走线或电源平面有足够的宽度承载电源电流。一般来说,除了开关节点外,电源平面应该尽可能大。开关节点上有较大的dV/dt讯号,可能会藕合到PCB布局的其它部份,因此尽量减小其表面积更能实现良好的设计。使用多个过孔连接不同层的电源平面。简单的经验规则是每个过孔(10mil钻孔)不要超过1A的电流。如果能打造一个像PCB一样大的连续接地面,将有助于减少杂讯和高频回路。
 
升压转换器
升压转换器用于从较低的输入电压产生一个较高的输出电压。你可以在升压转换器中使用与降压转换器中相同的过程来辨识关键路径和回路。
 
图2:升压转换器的原理图和PCB布局
图2:升压转换器的原理图和PCB布局
 
在PWM导通期间,电流从输入端经过电感流到开关电晶体(绿色箭头所示)。在此期间,能量在电感中不断累积,然后在PWM关断时转移到输出。现在电流沿着粉色箭头流动,从输入流到输出。这意味着输入侧的电流是连续的。输出端的电流是一种高频开关电流。为了尽量减少高频杂讯,必须使图中蓝色所示的回路尽可能最短。
 
在电晶体导通期间,电流只短暂地从输出经二极体流到接地。这个电流如果没有正确地被输出电容加以分流,就可能导致电源设计发生问题。用于降压转换器的通用布局技术同样可以应用于这种升压转换器。尽量减少开关节点面积,并使用多个过孔连接到接地面。
 
SEPIC转换器
当输入电压比输出电压高或低时,都可以使用SEPIC转换器。这种电源转换器在输入电压低于输出时可以发挥升压的作用,而当输入电压高于输出时又可以发挥降压的作用。这种电路使用两个电感或单一个藕合型电感。
 
使用藕合电感的SEPIC电源段原理图和PCB布局
图3:使用藕合电感的SEPIC电源段原理图和PCB布局
 
因为有两个电感,因此在开关周期的每个部份都有两条电流路径。在PWM导通期间,电流沿着绿色箭头流动,并在电感中累积能量。当PWM关断时,能量透过粉色电流路径转移至输出端。在这种SEPIC设计中,输入部份的电流是连续的。输出端表现出高频开关电流,因此需要尽量减小图中蓝色所示的回路。建议使用靠近输出电容的过孔连接到接地面。接地面可以在所有元件之间提供一条低阻路径,从而降低杂讯。
 
结语
电源布局设计是一个极富技巧性的任务。第一步是判断电源中的电流是如何流动,然后找出并尽量减少高频回路。接下来使用接地面和电源平面以非常低的阻抗方式连接元件。确保所用的平面有足够的宽度承载设计的电流。高频开关节点要尽可能最小,以减少杂讯藕合到其它讯号的机会。利用许多过孔连接各种不同器件的大型、连续接地面,也可能成为一项很好的设计。


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