理清“功率流”和“信息流”
我們剛開始接觸開關(guān)電源的時(shí)候覺得復(fù)雜,是因?yàn)闆]有理清楚“功率流”和“信息流”。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202408/462378.htm在開發(fā)的過程中,我們確實(shí)需要明確區(qū)分功率路徑和信息路徑。功率路徑是指電能在系統(tǒng)中的傳輸路徑,包括電源、開關(guān)管、功率電感、負(fù)載、導(dǎo)線和其他電氣元件。它負(fù)責(zé)提供足夠的電能,以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。信息路徑則是指用于傳輸控制信號(hào)、反饋信號(hào)或其他信息的路徑,如控制電路中的電壓反饋、電流反饋等。
“功率流”的設(shè)計(jì)要點(diǎn):
減小“串阻”:
我們是通過開關(guān)管、電感、電容,通過開關(guān)的過程,重新分配了能量的儲(chǔ)存和輸出的過程,使得開關(guān)電流能夠提供穩(wěn)定的電壓,和持續(xù)的電流。
這些功率器件,我們希望他們?cè)趨⑴c電壓轉(zhuǎn)換的過程中,減小能量的不必要損失。此時(shí),我們就需要減小MOSFET的Rds(on),電感的DCR,電容的ESR,PCB走線的等效串阻,這些都是不必要的串阻。這些串阻在工作過程中,都會(huì)產(chǎn)生“無用功”。
優(yōu)化功率器件的布局和散熱:
布局設(shè)計(jì):功率器件如MOSFET、電感和電容的布局非常關(guān)鍵。它們之間的距離應(yīng)盡量縮短,以減小寄生電感和寄生電容,從而減少開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)和功率損耗。此外,功率路徑上的走線應(yīng)盡可能寬,以降低電流通過時(shí)的壓降和發(fā)熱。
散熱設(shè)計(jì):開關(guān)電源中功率器件的損耗會(huì)以熱量形式散發(fā),過高的溫度會(huì)影響電路的可靠性和壽命。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮散熱片、銅箔面積、熱導(dǎo)材料,以及合理布置散熱通道,以保證器件在安全溫度范圍內(nèi)工作。
控制開關(guān)頻率與效率的平衡:
開關(guān)頻率選擇:開關(guān)頻率越高,轉(zhuǎn)換器體積可以做得越小,但也會(huì)增加開關(guān)損耗和EMI。降低開關(guān)頻率可以減少開關(guān)損耗,但會(huì)導(dǎo)致電感和電容的體積增大。選擇合適的開關(guān)頻率以平衡效率、體積和EMI是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要權(quán)衡點(diǎn)。
開關(guān)損耗控制:開關(guān)過程中,MOSFET在開啟和關(guān)斷瞬間的損耗(如電壓和電流重疊時(shí)產(chǎn)生的損耗)會(huì)顯著影響整體效率。通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),如調(diào)整門極電阻值或使用合適的驅(qū)動(dòng)電路,可以減少開關(guān)損耗。
管理電磁干擾(EMI):
濾波電路:在功率流設(shè)計(jì)中,EMI是不可避免的問題。通過合理設(shè)計(jì)輸入輸出濾波器、增加屏蔽層、優(yōu)化走線布局,可以有效降低EMI。高頻開關(guān)過程中產(chǎn)生的噪聲可以通過濾波電路和屏蔽措施進(jìn)行抑制。
減少電磁輻射:設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)的面積,因?yàn)樗鼈內(nèi)菀壮蔀殡姶泡椛涞脑搭^。對(duì)于高速電流路徑,采用微帶線或共面波導(dǎo)等設(shè)計(jì)來控制阻抗也有助于減小輻射。
電流環(huán)路的優(yōu)化:
最小化電流環(huán)路面積:開關(guān)電源中的高頻電流環(huán)路,如開關(guān)節(jié)點(diǎn)到電感的路徑,應(yīng)盡量短且環(huán)路面積最小。這不僅有助于減少EMI,還能降低環(huán)路的寄生電感和電阻,減少功率損耗。
例如輸入電容靠近電源控制器的Vin和GND的輸入端,使得整個(gè)大電流跳變的電流環(huán)足夠小。
回路設(shè)計(jì):確保功率地和信號(hào)地的分離,并在單點(diǎn)接地,以避免地環(huán)路干擾和電流回路引起的壓降。這些壓降會(huì)影響控制電路的精確度和穩(wěn)定性。
保證通流能力:
這是最容易做到,往往也是最容易被忽略的。正常走線,大家都會(huì)計(jì)算線寬跟通流的關(guān)系,但是有時(shí)銅皮會(huì)被過孔打碎。
換層的時(shí)候注意過孔的數(shù)量要滿足通流且留有余量。
避開干擾源:
遠(yuǎn)離功率路徑:信息路徑應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高功率電流路徑,以避免電磁干擾(EMI)和電場(chǎng)、磁場(chǎng)的耦合干擾。例如,信號(hào)線應(yīng)與高頻、高電流的功率線保持足夠的距離或使用屏蔽層進(jìn)行隔離。
使用低噪聲地:在布局中,信號(hào)路徑應(yīng)連接到一個(gè)低噪聲的地平面,而不是直接與功率地相連。這樣可以減少信號(hào)路徑中的噪聲干擾。
最小化環(huán)路面積:
閉環(huán)設(shè)計(jì):信號(hào)回路的面積應(yīng)盡量小,以減少寄生電感和電磁輻射。特別是在高速信號(hào)傳輸中,環(huán)路面積越小,抗干擾能力越強(qiáng)。例如,在控制電路中的反饋信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)通過盡可能短的路徑返回到控制器。
緊密布局:對(duì)于敏感信號(hào),布線應(yīng)盡量靠近參考地,或者在布線的上下層設(shè)置完整的地平面,以減少回流路徑的電感。
使用差分信號(hào):
差分線設(shè)計(jì):對(duì)于關(guān)鍵的高速或噪聲敏感信號(hào),使用差分對(duì)布線能夠有效抑制干擾。差分信號(hào)對(duì)的兩個(gè)線跡應(yīng)盡量保持等長(zhǎng)、等間距,并且在同一層布線,以確保信號(hào)的完整性和抗干擾能力。
抑制共模噪聲:差分信號(hào)的設(shè)計(jì)還可以減少共模噪聲的影響,通過差分信號(hào)的自抵消特性來抑制外界的干擾。
信號(hào)線的屏蔽和濾波:
屏蔽措施:對(duì)于極其重要的信號(hào),如控制信號(hào)或反饋信號(hào),可以使用屏蔽線纜或屏蔽層來防止外部干擾進(jìn)入信號(hào)路徑。這種設(shè)計(jì)在電磁環(huán)境較為復(fù)雜的情況下尤為重要。
濾波電路:在信號(hào)路徑中添加濾波器,如RC濾波器或鐵氧體磁珠,以抑制高頻噪聲。這對(duì)于降低EMI和改善信號(hào)完整性非常有效。
適當(dāng)?shù)慕拥卦O(shè)計(jì):
單點(diǎn)接地:信號(hào)地和功率地應(yīng)在系統(tǒng)中的單一點(diǎn)進(jìn)行連接,以避免地環(huán)路引起的干擾和信號(hào)偏移。單點(diǎn)接地可以減少地電流在信號(hào)路徑中的不良影響。
分離敏感信號(hào)地和功率地:敏感信號(hào)(如反饋信號(hào))的地平面應(yīng)與功率地隔離,避免功率器件開關(guān)時(shí)的大電流引入干擾。
通過合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)這些要點(diǎn),能夠有效提高開關(guān)電源的效率、可靠性和穩(wěn)定性,減少損耗并改善整體性能。
功率流本質(zhì)是傳輸能量,一般都是大電流、大電流跳變、大電壓跳變等,本身強(qiáng)壯,但是具備破壞力;而信息流一般是小電流,容易被干擾。兩者關(guān)系如下圖,我們的設(shè)計(jì)要“抑制強(qiáng)者,保護(hù)弱者!”
所以信息流的設(shè)計(jì),我們需要避開干擾源,環(huán)路要小,通過走差分線抑制干擾。
電壓反饋
電流反饋電路
環(huán)路補(bǔ)償部分
信息流的設(shè)計(jì)要點(diǎn):
評(píng)論