电源设计热循环
2022-05-11

凭借二十年的工业和汽车客户经验,我在电源设计故障排除方面拥有丰富的经验。在客户支持方面,当数据表中出现预期或承诺的问题时,您通常会接到电话。通常,当你接到电话时,布局已经完成,投入大量资金,解决问题的时间与项目管理的紧张程度一样紧密。

这些问题通常是由布局引起的。在演示板上,一切看上去和测量都很好。但是,在客户委员会做出更多妥协,这是一个不同的故事。你不能责怪布局人,他完成了他的工作,连接了所有需要的电路图,并将所有元件整齐排列在电路板上。要创建成功的电源布局,如果您打算从经过验证的布局中更改任何内容,则需要了解所涉及的物理特性。演示板布局可能会根据您的设计的不同要求进行优化,或者您的设计可能需要稍微不同的组件。

在接受这个博客时,我问自己如何处理这样一个广泛的范围主题。我认为最好的办法是把它分解成几块。我的目标是创建一些直觉,从PC板和组件一侧进行设计。在布局阶段,您经常会在几秒钟内做出决定,这将决定您的电路板的功能和EMI。即使绝望地使用手术刀,旋转切割工具,铜箔和焊料,这些决定大多数时候都不会得到纠正。

我记得大约十几年前,一位客户第一次在汽车收音机中使用开关模式电源。他的很多同事都说这是做不到的。然而,在布局和输入过滤中解决了一些问题后,一切正常。后来,一位客户成功使用了LT1940 1MHz双路降压型开关稳压器,该稳压器在汽车无线电接收器的AM频段中间运行。电源单元(PSU)不需要额外的金属屏蔽,这只是放置,布局和过滤的一个问题。

开关模式稳压器中最重要的EMI源是电流切换的环路。我称之为热循环。

采用非隔离拓扑结构时,最基本的拓扑结构之一就是降压稳压器。EMI从高di / dt回路开始。电源线以及负载线不应具有较高的交流电流含量。所以我们可以集中分析输入电容Cin,它应该将所有相关的交流电流提供给任何交流电流结束的输出电容Cout。

图1.非隔离式降压拓扑,其中产生最高EMI的环路是绿色环路或热环路

在S1闭合和S2断开的导通周期中,交流电流跟随红色环路[图1]。在关闭循环期间,当S1打开且S2闭合时,交流电流跟随蓝色循环。这两个电流都有一个空中飞人的形状。人们通常难以理解产生最高EMI的环路不是红色环路或蓝色环路。只有在绿色环路中流过一个完全切换的AC电流,从零切换到Ipeak并回到零。我们将绿色环路称为热环路,因为它具有最高的AC和EMI能量。

为了减少EMI和改善功能,您需要尽可能减少绿色环路的辐射效应。如果我们可以将绿色环路的PC板面积减小到零并购买一个具有零阻抗的理想输入电容,问题就可以得到解决。但我们仅限于现实世界。工程的任务是找到最佳的折中方案。该环路的磁偶极场强度与电流切换和覆盖面积成正比。

我们来看看LT8611降压转换器的布局。LT8611内部具有两个开关,所以我们只需关心输入电容的连接。

图2. LT8611降压转换器的原理图

正如您从图2中的原理图中所看到的那样,出于布局目的,热循环不容易出现。

图3. LT8611buck转换器的布局,其中绿线是顶层的热循环

绿线是顶层的热循环。交流电流流经输入电容器和器件中的开关。图3显示了DC1750A LT8611演示板。

升压电路可以在连续模式下看作是向后操作的降压电路。

图4.热环路是S1开路和S2闭路的蓝色环路和红色环路之间的区别

热循环被识别为S2闭合时的蓝色环路和S2开放且S1闭合的红色环路[图4]之间的差异。

图5。

单电感器4开关降压 - 升压[图5]由一个升压电路后面的降压电路组成。这种布局通常会因共同的GND电流分流器而变得复杂,该分流器属于两个热回路。的LTC3780 DC1046A演示板[图6]示出了一个很好的解决方案在分离两个平行的那些感测电阻器。

图6。图7。

SEPIC电路的一个不同图形[图7]显示了它的热循环。替代顶部开关的有源MOSFET,经常使用二极管。的LT3757 DC1341A [图8]示出了良好的SEPIC布局。绿色热环路区域被最小化,并在下一层具有坚实的GND平面

图8。图9。

反相拓扑[图9]与SEPIC [图8]非常相似,只有负载通过顶部开关和顶部电感移动。布局非常相似,并且演示板通常可以从SEPIC修改为反相,前提是IC也可以调节负反馈电压,如LT3581,LT3757等。

图10。

反激式拓扑结构[图10]在变压器上使用单独的绕组,主绕组和次绕组之间只有磁耦合。初级绕组中的电流由于相对较高的di / dt而变为零。只有存储在绕组和开关节点之间的漏感和电容中的能量减慢了这一点。主变压器绕组和其他变压器绕组可视为完全开关电流。在降压 - 升压情况下,我们得到两个主要的热循环[图5]。为了减少EMI,除了关闭差分模式EMI的V IN去耦之外,共模扼流圈还用于此拓扑中可能的主要共模EMI。

因此,成功布局的第一步是尽可能减少热循环。使用设计规则允许的最小铜间距。使用最短且最平坦的陶瓷去耦电容,它首先接近热回路。并行使用多个阻塞或去耦电容器用于热环路没有任何问题。您将它们堆叠在一起,使最短和最平坦的电容器靠近热环路,其后面有较大的封装。

作者:Christian Kueck

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