开关稳压器设计的PCB布局布线 开关稳压器, 工作原理, 电源

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关键字：开关电源   开关稳压器   PCB布局   PWM  
　开关模式电源用于将一个电压转换为另一个电压。这种电源的效率通常很高，因此，在许多应用中，它取代了线性稳压器。
　　开关频率与开关转换

　　开关模式电源以一定的开关频率工作。开关频率既可以是固定的（例如在PWM型控制中），也可以根据某些因素而变化（例如在PFM或迟滞型控制中）。无论何种情况，开关模式电源的工作原理，都在于它有一定的开启时间Ton和一定的关闭时间Toff.图1显示了一个50%占空比的典型开关周期。这意味着，在完整周期T的50%时间里，转换器中有某一电流；在另外50%时间里，转换器中有不同的电流。





　当我们考虑系统噪声时，实际的开关频率（换言之，周期长度T）并不是很重要。如果它在系统的敏感信号频率范围内，开关频率或其谐波可能会影响系统。但一般而言，开关频率并不是影响系统的最大因素。

　　在开关模式电源中，真正重要的是开关转换的速度。在图1的下半部分，我们可以看到开关转换在时间标度上的放大图。在周期T为2us的时间标度上，对于500kHz PWM开关频率，转换看起来像是一条垂直线，如图1的上半部分所示。但放大后，如图1的下半部分所示，我们可以看到，开关转换通常需要30到90ns的时间。

　　为什么良好的PCB布局布线非常重要？

　　每2.5cm PCB走线具有大约20nH的走线电感。确切的电感值取决于走线的厚度、宽度和几何形状，但根据经验，一般取20nH/2.5cm切实可行。假设一个降压稳压器提供5A的输出电流，我们将会看到电流从0A切换到5A.当开关电流很大且开关转换时间很短时，我们可以利用下面的公式，计算微小的走线电感会产生多大的电压偏移：





　　由此可见，仅仅2.5cm的走线电感就能产生相当大的电压偏移。这种偏移甚至常常导致开关模式电源完全失效。将输入电容放在离开关稳压器输入引脚几厘米的地方，通常就会导致开关电源不能工作。在布局布线不当的电路板上，如果开关电源仍能工作，它将产生非常大的电磁干扰（EMI）。

　　在上面的公式中，我们唯一能改变的参数是走线电感。我们可以使走线尽可能短，从而降低走线电感。较厚的铜线也有助于降低电感。由于负载所需的功率固定，因此我们无法改变电流参数。对于转换时间而言，我们可以改变，但一般不想改变。减慢转换时间可以降低产生的电压偏移，从而降低EMI,但是开关损耗却会提高，我们将不得不以较低的开关频率并利用昂贵而庞大的电源器件工作。

　　找到交流电流走线

　　在开关模式电源的PCB布局布线中，最重要的准则是以某种方式使交流走线尽可能短。如果能认真遵守这一准则，良好的电路板布局布线可以说已经成功了80%.为了找到这些在很短的时间（转换时间）内将电流从"满电流"变为"无电流"的交流走线，我们将原理图绘制了三次。如图2所示，它是一个简单的降压型开关模式电源。在顶部的原理图中，我们用虚线画出了开启时间内电流的流动。在中间的原理图中，我们用虚线画出了关闭时间内电流的流动。底部的原理图特别值得注意。这里，我们画出了电流从开启时间变为关闭时间的所有走线。

　　图2底部原理图中的这些走线是交流走线，必须使其尽可能短，以降低寄生电感。





通过这种方法，我们可以轻松找到任何开关模式电源拓扑结构的交流电流走线。

　　在评估现有的电路板布局布线时，一个好的办法是将其打印在纸上，并放上一张透明的塑料板，然后用不同颜色的笔，画出开启时间和关闭时间内的电流流向及相应的交流走线。虽然我们倾向于认为，能够在头脑中完成这一相对简单的工作，但在思维过程中，我们常常会犯一些小错误，因此，强烈建议在纸上绘出走线。