開關(guān)電源設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

對(duì)于開關(guān)電源的噪聲，除了芯片本身，Layout的設(shè)計(jì)最為重要，記錄一些相關(guān)的技巧。不少關(guān)于EMI的觀念具有通用性。下面我們談?wù)勱P(guān)于開關(guān)電源設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵問題。

AC和DC電流路徑

開關(guān)電源在導(dǎo)通和關(guān)閉兩種狀態(tài)下的電流回路不盡相同，于是在部分支路上會(huì)出現(xiàn)階躍電流(step current)(圖1. C)，這就是所謂需要關(guān)注的AC電流路徑。

以PCB走線20nH/inch計(jì)算，典型buck converter的AC電流路徑上電流變化大約是開關(guān)電源關(guān)閉轉(zhuǎn)換時(shí)負(fù)載電流大小的1.2倍，是導(dǎo)通轉(zhuǎn)換時(shí)負(fù)載電流的80%。高速場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)換時(shí)間為30ns，Bipolar的轉(zhuǎn)換時(shí)間為70ns;根據(jù)V=L*dI/dt，當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間(transition time)為30ns的1安培電流流過的一英寸走線將產(chǎn)生0.7V的電壓，相同時(shí)間3安培兩英寸走線就是4V!所以第一條準(zhǔn)則便是：吝惜AC電流路徑走線長度。

此外電源芯片的GND腳走線盡可能短以防止出現(xiàn)“地彈”(ground bounce)，輸入電容位置應(yīng)靠近芯片。

元件要“扎堆”

最大的遺憾是不能把元件重疊起來，因此究竟先考慮哪個(gè)元件就十分重要了。

準(zhǔn)則一：輸入端的兩個(gè)電容Cin和Cbypass。

輸入端電容的作用是抑制輸入電壓的波動(dòng)。輸入電壓的波動(dòng)主要來自電源開關(guān)時(shí)的脈沖輸入電流，Bulk電源的輸出電流較平整(LC串聯(lián)電路);Boost電源的情況正好相反，輸入電容電流平整，脈沖電流進(jìn)入輸出電容。原文還提及了Buck-Boost或“flyback”(回掃)，Cuk(據(jù)說這種是理想的DC-DC轉(zhuǎn)換器，不存在所謂AC電流路徑，輸入輸出全是平整電流，沒玩過L)等電源，其輸入輸出電容上的電流狀況取決于各自的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在開關(guān)電源導(dǎo)通的瞬間，大部分脈沖電流來自Cbypass，其余部分主要來自Cin，只有那些緩慢變化的電流才來自DC輸入電源。因此輸入電容實(shí)際為芯片提供了脈沖電流源，如果輸入電容的ESR和ESL太高會(huì)造成不必要的高頻輸入電壓紋波，我們看到這句話千萬不可理解為要無限加大輸入電容，由開關(guān)頻率(100K-260K)產(chǎn)生的自然輸入電壓紋波不在考慮范圍，俺們考慮的是在轉(zhuǎn)換瞬間頻率為10MHz-30MHz噪聲，特別的對(duì)于高速開關(guān)電源(這里的高速和開關(guān)的頻率并無多大關(guān)系，而是指開關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，F(xiàn)ET速度快于Bipolar)，將一個(gè)0.1uF-0.47uF的貼片電容Cbypass盡可能靠近芯片，Bulk電容Cin個(gè)頭大，可以距離稍遠(yuǎn)(一英寸)。

準(zhǔn)則二：Cbypass電容和開關(guān)電源芯片親密接觸!

環(huán)流二極管(catch diode，有時(shí)也用MOS管)的位置也至關(guān)重要，它和芯片的連線是開關(guān)電源最為活躍的地區(qū)，處理不好的走線電感會(huì)在輸出方波信號(hào)上疊加毛刺電壓。

準(zhǔn)則三：環(huán)流二極管緊貼IC，連接IC的SW pin以及GND pin形成一個(gè)緊湊的回流路徑。如果已經(jīng)遇到了毛刺電壓，可以加一個(gè)RC緩沖器(RC snubber)吸收走線寄生電感引起的噪聲，位置也必須靠近IC的開關(guān)腳和地腳，典型的R值為10ohm-100ohm，C值為470pF-2.2nF(電容值過大會(huì)造成不必要的功率損耗，1/2*C*V2*f)。

加寬走線對(duì)減少寄生電感有用嗎

基本沒用，相反會(huì)造成EMI輻射

增加10倍走線寬度可以降低1/2的寄生電感，近似無效的投入!增加銅箔厚度也沒用。在AC回路所包含的區(qū)域電場和磁場的交互作用會(huì)向外輻射噪聲，假如包含的區(qū)域較大那就正好起到了“發(fā)射天線”的作用。準(zhǔn)則四：減小AC電流回路面積，減小AC電壓銅箔面積，可以降低EMI輻射。要降低寄生電感，最先考慮減小走線長度。

鋪銅鋪到何時(shí)休

1) 承載電流的能力

走線電阻在阻礙電流流過的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生熱量，給個(gè)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則五：

對(duì)于5安培以下電流，溫度上升容限30°C

1盎司銅厚(1.4mil)每安培走線寬度至少增加12 mils

2盎司銅厚(2.8mil)每安培走線寬度至少增加7 mils

2) 走線電感

減小走線電感的最佳辦法是增加完整的地層，電流不會(huì)無休止的朝著一個(gè)方向流下去，它一定會(huì)找到它最喜歡的返回路徑。之前關(guān)于走線電感的估算都是建立在回流路徑非常大，假設(shè)單根導(dǎo)線的情況。如果有一個(gè)完整的地層處于走線的下方，回流路徑就是走線在地層上的“鏡像”，平行的兩根導(dǎo)體電流流向相反時(shí)磁場互相抵消，寄生電感也隨之減小。

3)散熱管理

沒太多可以討論的，記住FR4也是很好的導(dǎo)熱材料，合理利用它和銅箔，還有導(dǎo)熱鉆孔。

地平面

保證其完整性，遇到大功率場合可能需要多層地。

原文提到雙面板鋪地后，地上耦合噪聲過大自身也向外輻射的問題。

信號(hào)線：反饋

反饋線是唯一需要注意的信號(hào)線，可能拾取噪聲而使電源工作不正常。拾取噪聲的前提條件是走線兩端至少有一端是連到高阻抗的節(jié)點(diǎn)，如誤差比較放大器的輸入端(在開關(guān)電源芯片內(nèi)部)。分辨清楚哪根走線才是可能拾取噪聲的，分壓電阻位置靠近IC。所以最后一條準(zhǔn)則是：反饋信號(hào)走線遠(yuǎn)離噪聲源;或者/同時(shí)走線長度短。

總結(jié)

沒有電路圖看這篇筆記是沒用的，理解開關(guān)電源工作原理以及各支路上電流電壓的變化，找到AC電流路徑和關(guān)鍵器件Cbypass和環(huán)流二極管，才算把問題弄清楚。