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开关电源设计的问题讨论

2013-05-09 14:45
论恒
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  OFweek照明网 对于开关电源的噪声,除了芯片本身,布局的设计最为重要。

  AC和DC电流路径

  开关电源在导通和关闭两种状态下的电流回路不尽相同,于是在部分支路上会出现阶跃电流(step current)(见下图),这就是所谓需要关注的AC电流路径。

开关电源设计的问题讨论

  以PCB走线20nH/inch计算,典型buck converter的AC电流路径上电流变化大约是开关电源关闭转换时负载电流大小的1.2倍,是导通转换时负载电流的80%。高速场效应管的转换时间为30ns,Bipolar的转换时间为70ns;根据V=L*dI/dt,当转换时间(transition time)为30ns的1安培电流流过的一英寸走线将产生0.7V的电压,相同时间3安培两英寸走线就是4V!所以第一条准则便是:吝惜AC电流路径走线长度。

  此外电源芯片的GND脚走线尽可能短以防止出现“地弹”(ground bounce),输入电容位置应靠近芯片。

  元件要“扎堆”

  最大的遗憾是不能把元件重叠起来,因此究竟先考虑哪个元件就十分重要了。

  准则一:输入端的两个电容Cin和Cbypass。

  输入端电容的作用是抑制输入电压的波动。输入电压的波动主要来自电源开关时的脉冲输入电流,Bulk电源的输出电流较平整(LC串联电路);Boost电源的情况正好相反,输入电容电流平整,脉冲电流进入输出电容。原文还提及了Buck-Boost或“flyback”(回扫),Cuk(据说这种是理想的DC-DC转换器,不存在所谓AC电流路径,输入输出全是平整电流,没玩过L)等电源,其输入输出电容上的电流状况取决于各自的拓扑结构。

  在开关电源导通的瞬间,大部分脉冲电流来自Cbypass,其余部分主要来自Cin,只有那些缓慢变化的电流才来自DC输入电源。因此输入电容实际为芯片提供了脉冲电流源,如果输入电容的ESR和ESL太高会造成不必要的高频输入电压纹波,我们看到这句话千万不可理解为要无限加大输入电容,由开关频率(100K-260K)产生的自然输入电压纹波不在考虑范围,俺们考虑的是在转换瞬间频率为10MHz-30MHz噪声,特别的对于高速开关电源(这里的高速和开关的频率并无多大关系,而是指开关的转换时间,FET速度快于Bipolar),将一个0.1uF-0.47uF的贴片电容Cbypass尽可能靠近芯片,Bulk电容Cin个头大,可以距离稍远(一英寸)。

  准则二:Cbypass电容和开关电源芯片亲密接触!环流二极管(catchdiode,有时也用MOS管)的位置也至关重要,它和芯片的连线是开关电源最为活跃的地区,处理不好的走线电感会在输出方波信号上叠加毛刺电压。

  准则三:环流二极管紧贴IC,连接IC的SWpin以及GNDpin形成一个紧凑的回流路径。如果已经遇到了毛刺电压,可以加一个RC缓冲器(RCsnubber)吸收走线寄生电感引起的噪声,位置也必须靠近IC的开关脚和地脚,典型的R值为10ohm-100ohm,C值为470pF-2.2nF(电容值过大会造成不必要的功率损耗,1/2*C*V2*f)。

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