電力電子電路PCB布線的關(guān)鍵技術(shù)研究

作者：時間：2012-01-16 來源：網(wǎng)絡(luò)

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1引言

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/231258.htm

一臺性能優(yōu)良的電力電子變換器，除選擇高質(zhì)量的元器件、合理的電路外，印刷線路板的組件布局和電氣聯(lián)機方向的正確結(jié)構(gòu)設(shè)計是決定開關(guān)變換器能否可靠工作的一個關(guān)鍵問題。對同一種組件和參數(shù)的電路，由于組件布局設(shè)計和電氣聯(lián)機方向的不同會產(chǎn)生不同的結(jié)果，其結(jié)果可能存在很大的差異。因而，必須把如何正確設(shè)計印刷線路板組件布局的結(jié)構(gòu)和正確選擇布線方向及整體儀器的工藝結(jié)構(gòu)三方面聯(lián)合起來考慮。合理的工藝結(jié)構(gòu)，既可消除因布線不當(dāng)而產(chǎn)生的噪聲干擾，同時便于生產(chǎn)中的安裝、調(diào)試與檢修等。

文獻^[1]從抗干擾的角度介紹了印刷電路板基板材料的選擇、表面的處理、布線、抗干擾設(shè)計等。文獻^[2]詳細(xì)討論了開關(guān)電源PCB排版的基本要點，并描述了一些實用的PCB排版例子。文獻^[3]提出了在PCB板電路設(shè)計中的工藝設(shè)計和抗干擾的有效方法，如何正確設(shè)計印制電路板組件布局和選擇布線方向的改進，以便滿足PCB板抑制干擾和噪聲的設(shè)計要求。文獻[4]在建立單片機應(yīng)用系統(tǒng)可靠性設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，提出了PCB可靠性設(shè)計應(yīng)包括總體設(shè)計、布線設(shè)計和PCB尺寸及器件布置，并介紹了提高PCB可靠度的方法。電力電子變換器最終產(chǎn)品的好壞，在很大程度上取決于所設(shè)計的開關(guān)變換器PCB的布線。以上文獻都沒有涉及電力電子電路的布線問題。本文主要分析常用電力電子電路的PCB布線的幾個關(guān)鍵問題，以利于開關(guān)變換器設(shè)計者參考。

2基本電力電子電路

最基本的電力電子電路有三種boost、buck、buck-boost^[5-9]。這三種拓?fù)淙Q于電感的鏈接方式，設(shè)置合適的參考地后，可以得到三個不同的端子：輸入端、輸出端和地端，如圖1所示。若電感一端與地相連，則得到buck-boost電路；若電感與輸入端相連，則得到boost電路；若電感與輸出端相連，則得到buck電路。

圖1電力電子電路的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：(a)buck-boost拓?fù)洌?b)boost拓?fù)洌?c)buck拓?fù)洹?/p>

3開關(guān)節(jié)點

在開關(guān)器件與二極管之間設(shè)置的電感電流換流節(jié)點稱之為開關(guān)節(jié)點。電流從電感流入此節(jié)點，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)不同而流入開關(guān)或者二極管。任何DC-DC變換器拓?fù)渚写斯?jié)點，由二極管參與構(gòu)成的節(jié)點可防止巨大的電壓尖峰產(chǎn)生。

節(jié)點電流在開關(guān)和二極管之間進行轉(zhuǎn)換，因此二極管需要周期性的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，即二極管需在開關(guān)導(dǎo)通時加反向電壓而在其關(guān)斷期間加正向電壓。因此，節(jié)點電壓來回振蕩，將一示波器探頭連接于此節(jié)點，探頭地接于此拓?fù)潆娐返牡?，所得電壓波形為方波。此波形與電感電壓波形極為相似，不同之處在于此電壓在正電壓范圍改變，改變幅度由電路拓?fù)錄Q定。

實際設(shè)計PCB時需要特別注意防止在開關(guān)節(jié)點處布過多銅絲。否則它可能成為一個電磁場天線，向四周輻射射頻干擾，輸出導(dǎo)線會吸收此干擾并直接傳遞到輸出。

所有集成IC的開關(guān)均與其控制部分封裝在一起，這樣雖然應(yīng)用方便且價格便宜，但是通常這樣的IC對走線寄生電感所產(chǎn)生的噪聲更敏感。這是因為其功率級開關(guān)節(jié)點僅是該IC本身的輸出引腳，該引腳將開關(guān)節(jié)點產(chǎn)生的高頻噪聲直接傳遞到控制部分，導(dǎo)致控制失常。

4PCB走線的寬度、厚度與電感

對于長度為l、直徑為d的導(dǎo)線，其電感值可由式（1）表示。

(1)

式中：L和d的單位均為cm。

PCB走線電感的計算公式與導(dǎo)線電感公式區(qū)別不大，由式（2）表示。

(2)

式中：ω為走線寬度。

需要注意的是PCB走線電感基本與覆銅厚度無關(guān)。從以上對數(shù)關(guān)系可以看出，若PCB走線長度減少一半，則其電感值也減少一半。但走線寬度必須增加10倍才使其電感減少一半。即僅增加走線寬度用處不大，要減少電感應(yīng)使走線盡量的短。

過孔電感由式（3）計算，

(3)

式中：h為過孔深度，單位為mm，一般h等于板厚，通常為1.4mm~1.6mm；d為過孔直徑，單位為mm。對于1.6mm厚、直徑為0.4mm的過孔電感為1.2nH。雖然不大，但實際證明它也影響開關(guān)IC的工作，特別是在使用MOSFET時。因此，必須使用一輸入陶瓷電容為IC解耦，一定要注意該電容應(yīng)盡可能靠近IC引腳與PCB連接處，并且在該電容與IC引腳焊點之間不能有過孔連接。

事實上增加某些走線的寬度對電路工作可能是不利的。例如，對正輸入-正輸出buck變換器，從開關(guān)節(jié)點到二極管的走線電壓是變化的。任何帶有變動電壓的導(dǎo)體，不管它流過電流的大小，只要其尺寸足夠大就會形成E型天線。因此，應(yīng)該減少開關(guān)節(jié)點處的走線面積，而非增加它。這就是為什么要避免不當(dāng)?shù)摹般~濫”的原因。唯一允許大面積覆銅的電壓節(jié)點就是接地點或外殼接地點，其它走線（包括輸入電源母線）都可能因寄生高頻噪聲而產(chǎn)生嚴(yán)重輻射效應(yīng)^[10]。

減小電感的最好方法是減小長度，而不是增加寬度。若由于某些原因，走線長度不能進一步減小，則可以通過將電流前行和返回走線并行的方法來減小電感。電感之所以出現(xiàn)是因為它們存儲了磁能量，該能量存在于磁場中。反過來講，如果磁場消失，則電感也消失。通過將兩條電流走線平行布置，流過它們的電流大小相等方向相反，從而使磁場大大削弱。這兩條平行走線在PCB的同一面上時要靠的非常近。若使用雙面PCB，最好的辦法是將兩條平行走線置于板的兩面或者相鄰層的相對位置。為加強互耦以消去磁場，這些走線應(yīng)該盡量寬些。

對于大功率離線反激式變換器，二次側(cè)走線的電感會反射到一次側(cè)，從而極大地增加了一次等效漏感，使效率降低。當(dāng)要應(yīng)付較大的電流而需并聯(lián)多個輸出電容時，這種情況就更為嚴(yán)重。但仍可利用消去磁場的方法來減小電感。

從產(chǎn)生噪聲的觀點上看，對所有拓?fù)?，電感均不處于關(guān)鍵路徑，因此不必過多的擔(dān)心它的布線。但要考慮電感產(chǎn)生的電磁場，它會影響附近的電路及敏感走線，同樣會產(chǎn)生問題。因此，在一般情況下，若成本允許，最好使用屏蔽電感來解決這個問題。若條件不允許，應(yīng)將其置于遠(yuǎn)離IC處，特別要遠(yuǎn)離反饋走線^[11]。

5電力電子電路PCB的幾個關(guān)鍵走線

在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，某些走線的電流會瞬間停止，而另一些走線電流同時瞬間導(dǎo)通，他們均在開關(guān)轉(zhuǎn)換時間的100ns之內(nèi)發(fā)生，這些走線被認(rèn)為是開關(guān)變換器PCB布線的關(guān)鍵走線。它們的布線應(yīng)該寬而短。每個開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，這些走線中都產(chǎn)生很高的di/dt，這個線路都混雜著細(xì)小但不低的電壓尖峰[6][7]。這主要是由寄生電感產(chǎn)生的電壓V=L×di/dt引起的。根據(jù)經(jīng)驗，每英寸走線的寄生電感約為20nH。MOSFET比BJT轉(zhuǎn)換速度更高，MOSFET的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間為10ns~50ns，而BJT一般為100ns~150ns。由于它們在其PCB關(guān)鍵走線中產(chǎn)生更高的di/dt，采用MOSFET開關(guān)的變換器將產(chǎn)生更惡劣的尖峰。對1吋的銅走線開關(guān)，在30ns的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間流過1A的瞬態(tài)電流，將產(chǎn)生0.7V的尖峰電壓。若是3A的瞬態(tài)電流流過2吋的銅走線，將產(chǎn)生近4V的尖峰電壓。噪聲尖峰一旦產(chǎn)生，不僅傳遞到輸入/輸出，影響變換器性能，而且還能滲透到IC控制單元，使控制功能失穩(wěn)失常，甚至使控制的限流功能失效，導(dǎo)致災(zāi)難性后果。

噪聲尖峰幾乎是觀察不到的。首先，各種寄生參數(shù)一定程度上幫助吸收尖峰噪聲。其次，用示波器探頭觀察時，探頭自身10pF~20pF的電容也能吸收該類尖峰，從而看不到任何顯著信息。另外，探頭感應(yīng)了太多空氣傳播的開關(guān)噪聲，使觀察者難以確定所看到的到底是什么。

對于buck和buck-boost電路，輸入電容也處于關(guān)鍵路徑中。這意味著在這些拓?fù)渲泄β始壭枰辛己玫妮斎虢怦钛b置。因此，除了功率級所需要的大容量電容外（通常是大容量鉭電容或鋁電解電容），還應(yīng)在開關(guān)的電源側(cè)與最靠近開關(guān)的地端之間接入一小容量陶瓷電容，約0.1μF~1μF。

對于boost和buck-boost電路，輸出電容也處于關(guān)鍵路徑中。因此，該電路電容和二極管應(yīng)盡量靠近控制IC，在該電容兩端并聯(lián)一個陶瓷電容是有利的，但要求它不會引起環(huán)路不穩(wěn)定。

對buck電路，應(yīng)注意雖然要求輸出二極管盡量靠近IC/開關(guān)，但對輸出電容卻沒有嚴(yán)格要求，這是因為電感的存在使得該路徑電流平滑。若用一陶瓷電容與輸出電容并聯(lián)，則只是為了進一步降低輸出高頻噪聲和輸出紋波。但該做法并不可靠，特別是對于電壓控制模式，當(dāng)輸出電容等效串聯(lián)電阻（ESR）值變得太小（小于100m）時，可能造成環(huán)路嚴(yán)重不穩(wěn)定。

對所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，二極管處于關(guān)鍵路徑。二極管連接開關(guān)節(jié)點，并通過節(jié)點直接連接到開關(guān)IC內(nèi)部。對開關(guān)IC，當(dāng)buck變換器布線造成二極管距離IC太遠(yuǎn)時，可通過在開關(guān)點與地之間（跨過二極管，靠近IC）并聯(lián)一個小型RC緩沖器來進行后級調(diào)整。該RC緩沖電路由一個10Ω~100Ω電阻（最好為低感型）與一個約470pF~2.2nF的電容（最好為陶瓷電容）串聯(lián)組成。注意電阻功耗為C×VIN2×f。所以不僅電阻瓦數(shù)應(yīng)選合適，電容容值也不能隨意增加，以避免效率損失太多。

通常認(rèn)為最重要的信號走線是反饋走線。若這條走線吸收了噪聲，就會使輸出電壓產(chǎn)生些許偏移，極端情況下可能造成不穩(wěn)定或器件損壞。應(yīng)使反饋走線盡量的短，并遠(yuǎn)離噪聲或磁場源（開關(guān)、二極管和電感）干擾。決不能將反饋走線置于開關(guān)、二極管和電感下方，即使是PCB的另一面的下方，也不能讓它靠近或平行噪聲走線超過2mm~3mm，即使PCB的鄰近層也要這樣考慮。有地處于中間層時，應(yīng)在層間提供足夠的屏蔽保護。

有時使反饋走線很短是不現(xiàn)實的。應(yīng)認(rèn)識到使走線盡量短并非第一位的要求。事實上，經(jīng)常會有意識的將它布的長一些，以便使這些走線避開潛在的噪聲源。也可小心設(shè)計使部分反饋走線穿過沒有返回電流流過的地，這將使得它免受干擾^[11]。

6多層板的地

對多層板，通常的做法是將全部一層作為地。一些在這方面有經(jīng)驗的人認(rèn)為，該方法能夠解決很多問題。已知每個信號都有回路，隨著諧波增高，其返回電流將不是沿著直流電阻最小的那條路徑，而是沿著地對應(yīng)電感最小的路徑，甚至是之字形路徑。因此，通過設(shè)置一層地，就能給返回電流提供阻抗最小的路徑，至于是直流電阻最小還是感抗最小，則取決于諧波頻率。地還能容性的吸收其上層走線的噪聲，從而一定程度的減少噪聲和電磁干擾。但若不小心也會造成輻射，這種情況可能在耦合了太多走線噪聲時發(fā)生。地并非十全十美，吸收了噪聲，它就會受到影響，特別是銅皮很薄時情況更為嚴(yán)重。若地為建立熱島或為其它形式路徑，被分割為不規(guī)則的圖形，電流流動方式就會變得不規(guī)則。地上的返回路徑將不能直接對應(yīng)其前向走線。此時，地也起魚骨天線的作用，產(chǎn)生EMI。

7散熱問題

電力電子變換器的設(shè)計除了整機的熱設(shè)計外，PCB板的熱設(shè)計也十分重要。對于散熱，并非銅皮面積越大越好，銅皮較薄時更是如此。使用1in2以上的銅皮面積性價比已經(jīng)不高，但對覆銅厚度為2.8mil（70μm）或更厚的覆銅板銅面積可增大到3in。超過以上限制則需使用外部散熱器。功率器件表面與大氣的實際熱阻大約為30℃/W。即IC內(nèi)部每消耗1W溫度升高30℃。可利用經(jīng)驗公式（4）來求出所需銅皮面積。

(4)

式中：P的單位為W，Rth為熱阻，單位為0C/W。

應(yīng)該指出，熱量并非都是從銅皮表面散失掉的。常用于SMT（表面處理技術(shù)）的板材粘層為環(huán)氧樹脂F(xiàn)R4，它是很好的導(dǎo)熱材料。安裝器件的一面產(chǎn)生的熱量可通過FR4傳遞到板的另一面，該表面接觸空氣可幫助降低熱阻。因此，即使在板的另一面設(shè)置銅平面，同樣也有散熱效果，但只可以減小10%~20%的熱阻。注意該背面的銅表面并不需要與散熱器件同電位，它可以是公共地的銅表面。還有一種可以大幅度減小熱阻的方法，可以減小約50%~70%的熱阻。它利用一排小過孔（也稱熱孔）將器件的產(chǎn)生的熱量從PCB的一面?zhèn)鞯搅硪幻妗Ｈ羰褂脽峥?，其孔徑?yīng)很小，內(nèi)徑為0.3mm~0.33mm，這樣可在過孔鍍過程中將它們填滿。熱孔太大會在波峰焊時產(chǎn)生焊芯，從而使孔中吸入大量焊錫，容易使孔附近器件產(chǎn)生虛焊點。對散熱區(qū)域，熱孔的間距一般為1mm~1.2mm，功率器件的周邊、近旁甚至散熱片下方都可以設(shè)置這類熱孔網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)散熱^[11]。

8結(jié)語

本文討論的大多數(shù)關(guān)于布線的建議與措施，能確保電力電子變換器的基本功能和基本性能。作為電力電子電路設(shè)計人員，應(yīng)首先了解變換器主電路電流的流向，從而識別出PCB中有麻煩的或者關(guān)鍵的走線，必須特別注意這些走線的布線。該走線的判定隨拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同也不同。因此，不能用設(shè)計buck電路的方法來設(shè)計buck-boost電路PCB，其規(guī)律有很大差別，而很多PCB布線人員并不清楚這一點。因此，電源設(shè)計人員最好親自布線或用心指導(dǎo)PCB布線人員。

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