理清“功率流”和“信息流”

我們剛開始接觸開關(guān)電源的時候覺得復(fù)雜，是因為沒有理清楚“功率流”和“信息流”。

在開發(fā)的過程中，我們確實需要明確區(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)備的正常運行。信息路徑則是指用于傳輸控制信號、反饋信號或其他信息的路徑，如控制電路中的電壓反饋、電流反饋等。

“功率流”的設(shè)計要點：

1. 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，我們希望他們在參與電壓轉(zhuǎn)換的過程中，減小能量的不必要損失。此時，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，都會產(chǎn)生“無用功”。

  
  

1. 優(yōu)化功率器件的布局和散熱：

• 布局設(shè)計：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，以降低電流通過時的壓降和發(fā)熱。

  
  

• 散熱設(shè)計：開關(guān)電源中功率器件的損耗會以熱量形式散發(fā)，過高的溫度會影響電路的可靠性和壽命。設(shè)計時應(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)計中的一個重要權(quán)衡點。

• 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產(chǎn)生的損耗）會顯著影響整體效率。通過優(yōu)化驅(qū)動電路的設(shè)計，如調(diào)整門極電阻值或使用合適的驅(qū)動電路，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)計中，EMI是不可避免的問題。通過合理設(shè)計輸入輸出濾波器、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行抑制。

• 減少電磁輻射：設(shè)計中應(yīng)盡量減少高速開關(guān)節(jié)點的面積，因為它們?nèi)菀壮蔀殡姶泡椛涞脑搭^。對于高速電流路徑，采用微帶線或共面波導(dǎo)等設(shè)計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，使得整個大電流跳變的電流環(huán)足夠小。

  
  

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• 回路設(shè)計：確保功率地和信號地的分離，并在單點接地，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，大家都會計算線寬跟通流的關(guān)系，但是有時銅皮會被過孔打碎。

  
  

• 換層的時候注意過孔的數(shù)量要滿足通流且留有余量。

  
  

通過合理規(guī)劃和設(shè)計這些要點，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)計要“抑制強者，保護弱者！”



所以信息流的設(shè)計，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)路補償部分



信息流的設(shè)計要點：

1. 避開干擾源：

• 遠離功率路徑：信息路徑應(yīng)盡量遠離高功率電流路徑，以避免電磁干擾（EMI）和電場、磁場的耦合干擾。例如，信號線應(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行隔離。

• 使用低噪聲地：在布局中，信號路徑應(yīng)連接到一個低噪聲的地平面，而不是直接與功率地相連。這樣可以減少信號路徑中的噪聲干擾。

• 最小化環(huán)路面積：

• 閉環(huán)設(shè)計：信號回路的面積應(yīng)盡量小，以減少寄生電感和電磁輻射。特別是在高速信號傳輸中，環(huán)路面積越小，抗干擾能力越強。例如，在控制電路中的反饋信號和驅(qū)動信號應(yīng)通過盡可能短的路徑返回到控制器。

• 緊密布局：對于敏感信號，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：

• 差分線設(shè)計：對于關(guān)鍵的高速或噪聲敏感信號，使用差分對布線能夠有效抑制干擾。差分信號對的兩個線跡應(yīng)盡量保持等長、等間距，并且在同一層布線，以確保信號的完整性和抗干擾能力。

• 抑制共模噪聲：差分信號的設(shè)計還可以減少共模噪聲的影響，通過差分信號的自抵消特性來抑制外界的干擾。

  
  

• 信號線的屏蔽和濾波：

• 屏蔽措施：對于極其重要的信號，如控制信號或反饋信號，可以使用屏蔽線纜或屏蔽層來防止外部干擾進入信號路徑。這種設(shè)計在電磁環(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。這對于降低EMI和改善信號完整性非常有效。

• 適當(dāng)?shù)慕拥卦O(shè)計：

• 單點接地：信號地和功率地應(yīng)在系統(tǒng)中的單一點進行連接，以避免地環(huán)路引起的干擾和信號偏移。單點接地可以減少地電流在信號路徑中的不良影響。

• 分離敏感信號地和功率地：敏感信號（如反饋信號）的地平面應(yīng)與功率地隔離，避免功率器件開關(guān)時的大電流引入干擾。