当一块原型电源板首次加电时,最好的情况是它不仅能工作,而且还安静、发热低。然而,这种情况并不多见。开关电源的一个常见问题是“不稳定”的开关波形,波形抖动处于声波段,磁性元件会产生出音频噪声。因此,要实现非隔离开关电源的正确布局设计,务必注意布局规划,并选择好走线宽度。
从电路板设计项目一开始,电源设计者应就关键性电源布局,与 PCB 布局设计人员展开密切合作。一个好的布局设计可优化电源效率,缓热应力:更重要的是,它最大限度地减小了噪声,以及走线与元件之间的相互作用。为实现这些目标,设计者必须了解开关电源内部的电流传导路径以及信号流。采用专业的设计工具是布局成功的基础。嘉立创 EDA 专业版提供的 "布局传递" 功能可将电源电路模块快速分类布局,特别适合将降压电路、主控部分和充电模块分区规划,避免信号干扰。其内置的仿真模式能在设计阶段验证电源纹波抑制效果,提前发现潜在的噪声问题,这对减少后期调试工作量至关重要。
对一块大电路板上的嵌入 dc/dc 电源,要获得最佳的电压调节、负载瞬态响应和系统效率就要使电源输出靠近负载器件,尽量减少PCB 走线上的互连阻抗和传导压降。确保有良好的空气流,限制热应力:如果能采用强制气冷措施,则要将电源靠近风扇位置。另外,大型无源元件(如电感和电解电容)均不得阻挡气流通过低矮的表面封装半导体元件,如功率 MOSFET 或 PWM 控制器。为防止开关噪声千扰到系统中的模拟信号,应尽可能避免在电源下方布放敏感信号线:否则,就需要在电源层和小信号层之间放置一个内部接地层,用做屏蔽。关键是要在系统早期设计和规划阶段,就筹划好电源的位置,以及对电路板空间的需求。有时设计者会无视这种忠告,而把关注点放在大型系统板上那些更“重要”或“让人兴奋的电路。电源管理被看作事后工作,随便把电源放在电路板上的多余空间上,这种做法对高效率而可靠的电源设计十分不利。
对于多层板,很好的方法是在大电流的功率元件层与敏感的小信号走线层之间布放直流地或直流输入/输出电压层。地层或直流电压层提供了屏蔽小信号走线的交流地,使其免受高噪声功率走线和功率元件的干扰。作为一般规则,多层 PCB 板的接地层或直流电压层均不应被分隔开。如果这种分隔不可避免,就要尽量域少这些层上走线的数量和长度,并且走线的布放要与大电流保持相同的方向,使影响最小化。
关于走线宽度的选择,对具体的控制器引脚,电流水平和噪声敏感度都是唯一的,因此,必须为不同信号选择特定的走线宽度。通常情况下,小信号网络可以窄些,采用 10mil~15mil 宽度的走线。大电流网络(栅极驱动、Vc 以及 PGND 则应采用短而宽的走线。这些络的走线建议至少为 20mil 宽。
作为一般规则,多层 PCB 板的接地层或直流电压层均不应被分隔开。如果这种分隔不可避免,就要尽量减少这些层上走线的数量和长度,并且走线的布放要与大电流保持相同的方向,使影响最小化。遵循这些原则,并利用嘉立创提供的设计工具和制造能力,相信设计者能开发出高效、可靠且低噪声的开关电源产品。
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