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          實(shí)例分析穩(wěn)壓器PCB布局帶來的影響

          作者: 時(shí)間:2024-05-17 來源:ADI 收藏

          本文由代理商駿龍科技工程師講解如何利用LTC1871 升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的仿真電路來檢查開關(guān)波形,并觀察寄生電感變化時(shí)的 布局。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202405/458848.htm


          使用理想模型進(jìn)行仿真


          LTC1871 開關(guān)穩(wěn)壓器是一款異步升壓型轉(zhuǎn)換器,其輸出端采用了一個(gè)外部 MOSFET 和肖特基二極管,它的 SPICE 模型可用于構(gòu)建一個(gè)輸入電壓為 1(V)、輸出電壓為 12(V) 和負(fù)載電流為 24(A) 的升壓轉(zhuǎn)換器,如下圖 (圖1) 所示。接下來開始運(yùn)行仿真以觀察每個(gè)終端的波形。


          實(shí)例分析穩(wěn)壓器PCB布局帶來的影響



          LTC1871 開關(guān)穩(wěn)壓器仿真結(jié)果


          仿真結(jié)果如下圖 (圖2) 所示,從頂部開始分別為:輸出波形、SENSE 引腳波形、第 I 個(gè)引腳波形、GATE (BG) 引腳波形和開關(guān) (SW) 節(jié)點(diǎn)波形。從波形來看它是穩(wěn)定的,控制引腳 Ith 上的信號(hào)是干凈的,SENSE 引腳的電壓尖峰正常上升,并且開關(guān)節(jié)點(diǎn)是沒有電壓尖峰的。但是實(shí)際上這個(gè)波形與仿真的波形完全不同,開關(guān)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)遇到過沖并且 GATE 引腳下沖的情況,這或許會(huì)超過 GATE 引腳的最大規(guī)格,同樣開關(guān)節(jié)點(diǎn)也可能會(huì)下沖并高于最大額定值。在實(shí)際應(yīng)用中,這些情況的不僅會(huì)發(fā)生,并且可能會(huì)因 布局而加劇。


          實(shí)例分析穩(wěn)壓器PCB布局帶來的影響



          電路板寄生電感變化時(shí)的反應(yīng)


          在實(shí)際電路中存在寄生元件,例如寄生電感。寄生電感是由元件幾何形狀和 布局引起的,由于電流壓擺率非常高,與 MOSFET、二極管和輸出電容器串聯(lián)的寄生電感可能存在一些問題,例如高壓擺率的電流在這些寄生電感中會(huì)產(chǎn)生大電壓。如下圖 (圖3) 紅框部分所示為具有附加寄生電感的升壓轉(zhuǎn)換器電路,在該電路中首先需要將寄生電感添加到控制器的 GND 引腳,紅框以外的寄生電感可省略,因?yàn)樗鼈冊(cè)谶@次仿真中并不重要。


          實(shí)例分析穩(wěn)壓器PCB布局帶來的影響


          寄生電感對(duì)輸出波形的影響


          接下來可以查看仿真結(jié)果,如下圖 (圖4) 所示。從圖中可以觀察受電感影響的輸出波形,可以看到有大量的高頻振鈴。其中第一級(jí)的第 I 個(gè)控制引腳和第二級(jí)的 SENSE 引腳上存在電壓尖峰,這些電壓尖峰可能會(huì)影響到控制器。此外第三級(jí)控制器的 PGND 上也有振鈴,它會(huì)在外部組件和控制器的 GND 之間產(chǎn)生電壓差。第四級(jí) GATE 驅(qū)動(dòng)引腳也出現(xiàn)過多振鈴,這個(gè)振鈴可以被有效利用,但它也有可能因?yàn)槌^柵極引腳的最大額定值并導(dǎo)致故障。


          實(shí)例分析穩(wěn)壓器PCB布局帶來的影響


          通過下圖 (圖5) 中的放大輸出波形圖,可以比較直觀地看到寄生電感的變化,其中主要問題點(diǎn)是超過控制器引腳的最大額定值。需要注意的是,柵極驅(qū)動(dòng)器的引腳受到振鈴的影響后也可能會(huì)導(dǎo)致電路問題,所以為了盡量減少這些問題,必須將寄生電感降至最低。在仿真過程中首先需要注意功率 MOSFET 和輸出電容器選擇低寄生電感的組件,外部功率 MOSFET (IPP052N06L3) 采用 TO-220 和 TO-263 封裝,TO-220 封裝具有一個(gè)約 13mm 長的源極引腳,TO-263 型封裝具有一個(gè)約 4mm 長的源極引腳。僅考慮長度,TO-220 封裝的寄生電感可能比 TO-263 型大 3 倍以上。


          為了最小化輸出電容器的電感,建議選擇表面貼裝陶瓷電容器,而不是帶引線端子的電容器。此外通過并聯(lián)陶瓷電容器,可顯著降低等效串聯(lián)電感,為了降低寄生電感,功率 MOSFET、二極管和輸出電容應(yīng)盡可能靠近放置,并用粗短接線連接。


          實(shí)例分析穩(wěn)壓器PCB布局帶來的影響


          總結(jié)


          本文通過理想電路仿真,說明了LTC1871自身的 GND 和外部組件 GND 可以達(dá)到均衡,然而在現(xiàn)實(shí)中,電路會(huì)受各個(gè)元件和 PCB 的寄生電感的影響而導(dǎo)致電位擺動(dòng),并且從仿真波形圖可以看到這些寄生電感效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電源 IC 發(fā)生故障。

          文章來源:亞德諾半導(dǎo)體



          關(guān)鍵詞: ADI PCB

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