设计开关电源的关键（转）

谭力源

对于开关电源的噪声，除了芯片本身，Layout的设计最为重要，记录一些相关的技巧。不少关于EMI的观念具有通用性。 AC和DC电流路径 开关电源在导通和关闭两种状态下的电流回路不尽相同，于是在部分支路上会出现阶跃电流（step current）（图1. C），这就是所谓需要关注的AC电流路径。 以PCB走线20nH/inch计算，典型buck converter的AC电流路径上电流变化大约是开关电源关闭转换时负载电流大小的1.2倍，是导通转换时负载电流的80%。高速场效应管的转换时间为30ns，Bipolar的转换时间为70ns；根据V=L*dI/dt，当转换时间（transition time）为30ns的1安培电流流过的一英寸走线将产生0.7V的电压，相同时间3安培两英寸走线就是4V！所以第一条准则便是：吝惜AC电流路径走线长度。 此外电源芯片的GND脚走线尽可能短以防止出现“地弹”（ground bounce），输入电容位置应靠近芯片。 元件要“扎堆” 最大的遗憾是不能把元件重叠起来，因此究竟先考虑哪个元件就十分重要了。 准则一：输入端的两个电容Cin和Cbypass。 输入端电容的作用是抑制输入电压的波动。输入电压的波动主要来自电源开关时的脉冲输入电流，Bulk电源的输出电流较平整（LC串联电路）；Boost电源的情况正好相反，输入电容电流平整，脉冲电流进入输出电容。原文还提及了Buck-Boost或“flyback”（回扫），Cuk（据说这种是理想的DC-DC转换器，不存在所谓AC电流路径，输入输出全是平整电流，没玩过L）等电源，其输入输出电容上的电流状况取决于各自的拓扑结构。 在开关电源导通的瞬间，大部分脉冲电流来自Cbypass，其余部分主要来自Cin，只有那些缓慢变化的电流才来自DC输入电源。因此输入电容实际为芯片提供了脉冲电流源，如果输入电容的ESR和ESL太高会造成不必要的高频输入电压纹波，我们看到这句话千万不可理解为要无限加大输入电容，由开关频率（100K-260K）产生的自然输入电压纹波不在考虑范围，俺们考虑的是在转换瞬间频率为10MHz-30MHz噪声，特别的对于高速开关电源（这里的高速和开关的频率并无多大关系，而是指开关的转换时间，FET速度快于Bipolar），将一个0.1uF-0.47uF的贴片电容Cbypass尽可能靠近芯片，Bulk电容Cin个头大，可以距离稍远（一英寸）。 准则二：Cbypass电容和开关电源芯片亲密接触！ 环流二极管（catch diode，有时也用MOS管）的位置也至关重要，它和芯片的连线是开关电源最为活跃的地区，处理不好的走线电感会在输出方波信号上叠加毛刺电压。 准则三：环流二极管紧贴IC，连接IC的SW pin以及GND pin形成一个紧凑的回流路径。如果已经遇到了毛刺电压，可以加一个RC缓冲器（RC snubber）吸收走线寄生电感引起的噪声，位置也必须靠近IC的开关脚和地脚，典型的R值为10ohm-100ohm，C值为470pF-2.2nF（电容值过大会造成不必要的功率损耗，1/2*C*V2*f）。 加宽走线对减少寄生电感有用吗 基本没用，相反会造成EMI辐射 增加10倍走线宽度可以降低1/2的寄生电感，近似无效的投入！增加铜箔厚度也没用。在AC回路所包含的区域电场和磁场的交互作用会向外辐射噪声，假如包含的区域较大那就正好起到了“发射天线”的作用。准则四：减小AC电流回路面积，减小AC电压铜箔面积，可以降低EMI辐射。要降低寄生电感，最先考虑减小走线长度。 铺铜铺到何时休 1) 承载电流的能力   走线电阻在阻碍电流流过的时候会产生热量，给个经验准则五：   对于5安培以下电流，温度上升容限30°C   1盎司铜厚(1.4mil)每安培走线宽度至少增加12 mils   2盎司铜厚(2.8mil)每安培走线宽度至少增加7 mils 2) 走线电感    全是好消息！    减小走线电感的最佳办法是增加完整的地层，电流不会无休止的朝着一个方向流下去，它一定会找到它最喜欢的返回路径。之前关于走线电感的估算都是建立在回流路径非常大，假设单根导线的情况。如果有一个完整的地层处于走线的下方，回流路径就是走线在地层上的“镜像”，平行的两根导体电流流向相反时磁场互相抵消，寄生电感也随之减小。 3）散热管理    没太多可以讨论的，记住FR4也是很好的导热材料，合理利用它和铜箔，还有导热钻孔。 地平面         保证其完整性，遇到大功率场合可能需要多层地。 原文提到双面板铺地后，地上耦合噪声过大自身也向外辐射的问题。 信号线：反馈          反馈线是唯一需要注意的信号线，可能拾取噪声而使电源工作不正常。拾取噪声的前提条件是走线两端至少有一端是连到高阻抗的节点，如误差比较放大器的输入端（在开关电源芯片内部）。分辨清楚哪根走线才是可能拾取噪声的，分压电阻位置靠近IC。所以最后一条准则是：反馈信号走线远离噪声源；或者/同时走线长度短。 总结 没有电路图看这篇笔记是没用的，理解开关电源工作原理以及各支路上电流电压的变化，找到AC电流路径和关键器件Cbypass和环流二极管，才算把问题弄清楚。