开关电源在电子线路板的设计

出处:面包板 发布于:2020-06-30 14:02:38

  我们电子产品往往 60%以上-可靠性方面的问题都出现在电子线路板的 PCB 设计上;工作及性能良好的 PCB 需要相关的理论及实践经验;我在产品的设计实践中经常碰到各种各样的问题;比如电子线路板不能通过系统 EMS 的测试标准,测试关键器件 IC 的功能引脚时出现高频噪声的问题,电路功能 IC 引脚检测到干扰噪声进行异常保护等等。

  通过理论与实践结合;用测试数据检验我们的理论和实践的差异点!优良的设计跟长期的经验总结是密不可分的!

  1.开关电源通过以下的原理示意图分享设计总体原则

  图示为我们常用的两种开关电源的拓扑结构;

  A.开关电源拓扑主电流回流路径面积最小化;驱动脉冲电流回路最小化。

  B.对于隔离开关电源拓扑结构,电流回路被变压器隔离成两个或多个回路(原边和副边),电流回路要分开最小回流面积布局布线设计。

  C.如果电流回路有多个接地点,那么接地点要与中心接地点重合。

  D.实际设计时,我们会受到条件的限制;如果 2 个回路的电容可能不好近距离的共地!

  设计的关键点:

  我们就要采用电气并联的方式就近增加一个高频电容达成共地(如图红色虚线)!

  2.对于非隔离的 IC 控制器与主功率回路系统的 PCB 设计思路

  如下图为-非隔离的电源给 IC 控制器供电,IC 控制器控制 LED 的负载并进行调光及其它功能的控制应用。其控制器的供电及驱动回路的设计会影响系统的功能及可靠性。

  通过图示 IC 控制器-PCB 布局布线的设计思路如下:

  A1.IC 周边器件的地走线优先布局布线后连接到 IC-gnd;

  A2.IC-gnd 再连接到滤波电容 C1(高频电容-低容值)的接地端,如果是非隔离系统;存在主电源系统进行动态工作时,此地不再进行 12V 非隔离电源地连接。

  A3.IC-控制中心的 gnd 要单点接地!C1 电容靠近 IC-gnd 引脚,引脚地与 C1 电容-gnd 最短连接。

  关键环路

  B.主电源回路路径的最小化设计原则

  C.拓扑电流回路路径最小化设计原则

  D.脉冲驱动回路路径最小化设计原则

  注意条件受限时:电源的主回路与拓扑回路的电容可能不共地,我们可以采用电气并联的方式就近增加一个高频电容达成共地!

  3.具体 BOOST 的 LED 驱动架构的 PCB 布局布线进行具体分析

  设计基本思路如上所述;用下图进行设计分析

  在图示中:黄色跳线(JX)有与 12V 回路地进行最小化环路面积的理论设计。

  PCB 蓝色高亮部分为系统 GND 走线,白色高亮部分为 12V-IC 供电电源正端走线。

  通过实际的数据测试验证黄色跳线(JX)连接线接地对系统的影响:

  测试条件:12V-6A 115V/600mA (灯条)

  测试项目:12V 负载动态负载时间间隔 500ms max load/minimum load6.6A/0.2A

  示波器设置

  CH1:12V(偏置 10V) CH3:115V(偏置 100V) CH4:ILED(偏置 500mA)

  黄色跳线(JX)在回路中:

  黄色跳线(JX)去除

  通过优化环路响应,增加动态响应速度。

  黄色跳线(JX)的系统回路影响:

  由于 12V 同时给控制 IC 提供 VDD,在进行差分信号走线时 12V 与 GND 布线时即电源与地的回流面积最小;当 12V 拉负载时,12V 电解电容正到地回流;当 12V 负载电流增加时地走线阻抗不等于 0,这时在公共地阻抗上就会产生电压差,导致地基准位的变化。

  去掉黄色跳线(JX)后,控制回路变成单点接地。此时地电位基准的影响就不受多个回路电流的影响。在非隔离的系统中单点接地符合设计理论。

  设计经验总结:

  可能存在多种原因,IC 供电电源有多种应用功能连接。

  A.对于隔离的控制器 IC 电路提供 VDD,在进行差分信号走线时 12V 与 GND 布线时即电源与地的回流面积最小;

  B.对于非隔离 IC 控制的 GND 要避免形成环路;IC 同侧引脚的相同功能引脚的 GND 走线要连接在一起到 IC-GND;IC-控制中心的 gnd 要求单点接地。


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