升壓、降壓和(hé)SEPIC轉換器(qì)的PCB設計(jì)

     本文討(tǎo)論升壓、降壓和(hé)單端初級電(diàn)感轉換器(qì)(SEPIC)電(diàn)源段的電(diàn)源設計(jì)技(jì)巧。

     升壓轉換器(qì)

升壓轉換器(qì)用于從較低(dī)的輸入電(diàn)壓産生(shēng)一個(gè)較高(gāo)的輸出電(diàn)壓。你(nǐ)可(kě)以在升壓轉換器(qì)中使用與降壓轉換器(qì)中相同的過程來(lái)辨識關鍵路徑和(hé)回路。

 

圖1：升壓轉換器(qì)的原理(lǐ)圖和(hé)PCB布局

在PWM導通(tōng)期間(jiān)，電(diàn)流從輸入端經過電(diàn)感流到開(kāi)關電(diàn)晶體(tǐ)(綠色箭頭所示)。在此期間(jiān)，能量在電(diàn)感中不斷累積，然後在PWM關斷時(shí)轉移到輸出。現在電(diàn)流沿着粉色箭頭流動，從輸入流到輸出。這意味着輸入側的電(diàn)流是連續的。輸出端的電(diàn)流是一種高(gāo)頻開(kāi)關電(diàn)流。為(wèi)了盡量減少(shǎo)高(gāo)頻雜訊，必須使圖中藍(lán)色所示的回路盡可(kě)能最短(duǎn)。

 

在電(diàn)晶體(tǐ)導通(tōng)期間(jiān)，電(diàn)流隻短(duǎn)暫地從輸出經二極體(tǐ)流到接地。這個(gè)電(diàn)流如果沒有(yǒu)正确地被輸出電(diàn)容加以分流，就可(kě)能導緻電(diàn)源設計(jì)發生(shēng)問題。用于降壓轉換器(qì)的通(tōng)用布局技(jì)術(shù)同樣可(kě)以應用于這種升壓轉換器(qì)。盡量減少(shǎo)開(kāi)關節點面積，并使用多(duō)個(gè)過孔連接到接地面。

     降壓轉換器(qì)

首先，我們采用一個(gè)輸出電(diàn)壓較輸入電(diàn)壓低(dī)的降壓轉換器(qì)。圖1顯示這種降壓轉換器(qì)的原理(lǐ)圖和(hé)PCB布局。

 

圖2：這個(gè)簡化的原理(lǐ)圖中包含了輸入和(hé)輸出電(diàn)容、電(diàn)感、開(kāi)關電(diàn)晶體(tǐ)和(hé)阻流二極體(tǐ)

在脈沖寬度調變器(qì)(PWM)的導通(tōng)期間(jiān)，電(diàn)流沿綠色箭頭所示的路徑流動，從輸入電(diàn)容經過開(kāi)關電(diàn)晶體(tǐ)到電(diàn)感。在PWM關斷期間(jiān)，電(diàn)流繼續沿粉色箭頭路徑流經電(diàn)感。這意味着輸出具有(yǒu)連續流動的電(diàn)流。輸入的高(gāo)頻電(diàn)流在每個(gè)周期導通(tōng)與關斷一次。在此電(diàn)源段布局中最重要的部份是減少(shǎo)高(gāo)頻回路。圖1上(shàng)半部份中的藍(lán)色箭頭反映的就是這個(gè)回路。在電(diàn)晶體(tǐ)導通(tōng)期間(jiān)，電(diàn)流短(duǎn)暫地通(tōng)過二極體(tǐ)D1流到接地。在這段時(shí)間(jiān)內(nèi)，如果輸入電(diàn)容彼此間(jiān)靠的不是很(hěn)近，那(nà)麽這個(gè)大(dà)電(diàn)流突波可(kě)能會(huì)導緻一些(xiē)設計(jì)問題。

 

确保電(diàn)源走線或電(diàn)源平面有(yǒu)足夠的寬度承載電(diàn)源電(diàn)流。一般來(lái)說，除了開(kāi)關節點外，電(diàn)源平面應該盡可(kě)能大(dà)。開(kāi)關節點上(shàng)有(yǒu)較大(dà)的dV/dt訊号，可(kě)能會(huì)藕合到PCB布局的其它部份，因此盡量減小(xiǎo)其表面積更能實現良好的設計(jì)。使用多(duō)個(gè)過孔連接不同層的電(diàn)源平面。簡單的經驗規則是每個(gè)過孔(10mil鑽孔)不要超過1A的電(diàn)流。如果能打造一個(gè)像PCB一樣大(dà)的連續接地面，将有(yǒu)助于減少(shǎo)雜訊和(hé)高(gāo)頻回路。

      SEPIC轉換器(qì)

當輸入電(diàn)壓比輸出電(diàn)壓高(gāo)或低(dī)時(shí)，都可(kě)以使用SEPIC轉換器(qì)。這種電(diàn)源轉換器(qì)在輸入電(diàn)壓低(dī)于輸出時(shí)可(kě)以發揮升壓的作(zuò)用，而當輸入電(diàn)壓高(gāo)于輸出時(shí)又可(kě)以發揮降壓的作(zuò)用。這種電(diàn)路使用兩個(gè)電(diàn)感或單一個(gè)藕合型電(diàn)感。

 

圖3：使用藕合電(diàn)感的SEPIC電(diàn)源段原理(lǐ)圖和(hé)PCB布局

因為(wèi)有(yǒu)兩個(gè)電(diàn)感，因此在開(kāi)關周期的每個(gè)部份都有(yǒu)兩條電(diàn)流路徑。在PWM導通(tōng)期間(jiān)，電(diàn)流沿着綠色箭頭流動，并在電(diàn)感中累積能量。當PWM關斷時(shí)，能量透過粉色電(diàn)流路徑轉移至輸出端。在這種SEPIC設計(jì)中，輸入部份的電(diàn)流是連續的。輸出端表現出高(gāo)頻開(kāi)關電(diàn)流，因此需要盡量減小(xiǎo)圖中藍(lán)色所示的回路。建議使用靠近輸出電(diàn)容的過孔連接到接地面。接地面可(kě)以在所有(yǒu)元件之間(jiān)提供一條低(dī)阻路徑，從而降低(dī)雜訊。

    結語

電(diàn)源布局設計(jì)是一個(gè)極富技(jì)巧性的任務。第一步是判斷電(diàn)源中的電(diàn)流是如何流動，然後找出并盡量減少(shǎo)高(gāo)頻回路。接下來(lái)使用接地面和(hé)電(diàn)源平面以非常低(dī)的阻抗方式連接元件。确保所用的平面有(yǒu)足夠的寬度承載設計(jì)的電(diàn)流。高(gāo)頻開(kāi)關節點要盡可(kě)能最小(xiǎo)，以減少(shǎo)雜訊藕合到其它訊号的機會(huì)。利用許多(duō)過孔連接各種不同器(qì)件的大(dà)型、連續接地面，也可(kě)能成為(wèi)一項很(hěn)好的設計(jì)。