熱回路究竟是什么？

當(dāng)涉及到開關(guān)穩(wěn)壓器及其電磁兼容性(EMC)時(shí)，總是會(huì)提到熱回路。尤其是優(yōu)化印刷電路板上的走線布局時(shí)，更是離不開這個(gè)話題。但熱回路到底指的是什么？

開關(guān)穩(wěn)壓器中需要不斷開關(guān)電流。這些電流通常比較大。每當(dāng)電流流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場。如果快速開關(guān)大電流，就會(huì)產(chǎn)生交變磁場。此外，如果開關(guān)電流時(shí)，路徑中存在寄生電感，就會(huì)產(chǎn)生電壓失調(diào)。電流會(huì)容性耦合到相鄰的電路部件中，并增加電源的噪聲輻射。綜上所述，我們可以說開關(guān)電流是導(dǎo)致開關(guān)模式電源產(chǎn)生噪聲的主要原因。圖1顯示了簡化的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所有存在連續(xù)電流的線路都用藍(lán)色表示。所有快速開關(guān)電流的線路都用紅色表示。

圖1.具有連續(xù)電流的線路用藍(lán)色表示，存在開關(guān)電流的線路用紅色表示。

圖1中的紅色線路是關(guān)鍵線路。它們看起來像一個(gè)電流回路，因此被稱為回路。熱回路意味著這個(gè)回路特別關(guān)鍵，因?yàn)樗婕暗娇焖匍_關(guān)電流。如果我們仔細(xì)觀察這個(gè)回路，可以看到圖1中的紅色回路從來沒有真正的電流流過，這個(gè)因?yàn)閮蓚€(gè)開關(guān)從來不會(huì)同時(shí)打開。它只是單條線路的組合，在特定時(shí)間會(huì)有電流流過，在其他時(shí)間則沒有電流流過。在圖2中，各連接線路旁的箭頭表示電流流動(dòng)的方向。同時(shí)，通過指定的符號(hào)表示電流流過的時(shí)間。在其他時(shí)間，沒有電流流經(jīng)該導(dǎo)體。

表1顯示圖2中的每條紅色線路何時(shí)傳導(dǎo)電流，何時(shí)不傳導(dǎo)電流。在降壓穩(wěn)壓器占空比周期的開啟時(shí)段，高壓側(cè)開關(guān)開啟，低壓側(cè)開關(guān)關(guān)閉，我們看到電流從輸入電容流出，通過高壓側(cè)開關(guān)，但是沒有電流流經(jīng)低壓側(cè)開關(guān)。在占空比周期的關(guān)閉時(shí)段，電流通過低壓側(cè)開關(guān)（從地到開關(guān)節(jié)點(diǎn)），其他三條紅色線路則沒有電流流過。

表1.高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)狀態(tài)與降壓穩(wěn)壓器占空比周期之間的關(guān)系

從圖2中很容易看出，熱回路并不是一個(gè)獨(dú)立的電流回路，而是由兩個(gè)真實(shí)的電流回路組成的虛擬電流回路。

圖2.熱回路中電流方向不同的各個(gè)線路。

圖3顯示電路所基于的實(shí)際電流回路。一個(gè)電流回路顯示為藍(lán)色，另一個(gè)顯示為綠色。在這些完整的電流回路之間，確實(shí)會(huì)反復(fù)出現(xiàn)開關(guān)操作；但是，在某些線路中，兩個(gè)電流回路中的電流流動(dòng)方向相同，因此會(huì)疊加形成連續(xù)電流，就EMC而言影響不大。這些線路不會(huì)被稱為熱回路。

圖3.會(huì)導(dǎo)致所謂熱回路的實(shí)際電流回路。

開關(guān)穩(wěn)壓器的熱回路因開關(guān)穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而異。其設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能窄小緊湊，以減少噪音產(chǎn)生和傳播。ADI公司提供的Silent Switcher^? 2技術(shù)通過將輸入電容集成到IC封裝，盡可能縮小關(guān)鍵熱回路。同時(shí)，將熱回路分成兩個(gè)對(duì)稱的形狀，可以產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的磁場，從而大幅抵消輻射噪聲。Power by Linear提供的LT8609S 就是?采用這種技術(shù)的開關(guān)穩(wěn)壓器。

作者簡介

Frederik Dostal曾就讀于德國紐倫堡埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任各種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負(fù)責(zé)開關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場應(yīng)用工程師。