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技術(shù)專題
高壓SMPS PCB布局可將熱量和噪音降至最低
無(wú)論是執(zhí)行AC-DC轉(zhuǎn)換還是DC-DC轉(zhuǎn)換，開關(guān)電源布局在高壓設(shè)計(jì)中都很常見(jiàn)，必須仔細(xì)構(gòu)造。盡管該系統(tǒng)非常普遍，但由于開關(guān)期間電壓和電流的快速變化，它很容易輻射EMI。設(shè)計(jì)人員很少能將現(xiàn)有設(shè)計(jì)應(yīng)用于新系統(tǒng)，因?yàn)橐粋€(gè)區(qū)域的微小變化會(huì)產(chǎn)生難以診斷的EMI問(wèn)題。
通過(guò)正確的布局選擇和布線，可以防止噪聲成為SMPS輸出上的重要問(wèn)題。可以購(gòu)買低電壓轉(zhuǎn)換器作為具有不同形狀因數(shù)的IC，但是高電壓轉(zhuǎn)換器將需要由專用板上的分立組件生產(chǎn)。以下是一些重要的SMPS PCB布局技巧，可幫助您保持組件冷卻并防止系統(tǒng)中出現(xiàn)噪聲問(wèn)題。
SMPS PCB布局中的噪聲和熱量問(wèn)題
沒(méi)有解決之道：由于晶體管驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)動(dòng)作，任何SMPS都會(huì)產(chǎn)生中等程度的高頻噪聲。實(shí)際上，您是在將低頻紋波（即，在AC-DC轉(zhuǎn)換過(guò)程中從全波整流器產(chǎn)生）轉(zhuǎn)換為高頻開關(guān)噪聲。盡管此轉(zhuǎn)換產(chǎn)生更穩(wěn)定的直流輸出，但仍然存在兩個(gè)重要的噪聲源：
來(lái)自開關(guān)元件的直接開關(guān)噪聲。
系統(tǒng)中其他地方的瞬態(tài)噪聲。
噪聲會(huì)以傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲的形式出現(xiàn)在SMPS單元的輸出上。盡管每個(gè)問(wèn)題的原因都很難診斷，但可以輕松地區(qū)分兩種類型的噪聲。SMPS PCB布局中的其他設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是板上產(chǎn)生的熱量。雖然這可以通過(guò)選擇正確的PWM頻率，占空比和上升時(shí)間來(lái)影響，但您仍然需要在電路板上使用正確的熱管理策略。考慮到這兩個(gè)挑戰(zhàn)，讓我們看一下SMPS PCB布局中要注意的一些細(xì)節(jié)。
熱管理
理想的SMPS將耗散零功率，盡管實(shí)際上并不會(huì)發(fā)生這種情況。您的開關(guān)晶體管（以及用于AC-DC轉(zhuǎn)換的輸入變壓器）將耗散絕大部分的熱量。即使在開關(guān)電源拓?fù)渲行士梢赃_(dá)到90％，功率MOSFET仍可以在開關(guān)過(guò)程中散發(fā)大量熱量。此處的常見(jiàn)做法是將散熱器放置在關(guān)鍵的開關(guān)組件上。確保將它們重新連接到接地層，以防止產(chǎn)生新的EMI。
在高壓/大電流電源中，這些散熱器可能會(huì)很大。您可以通過(guò)在機(jī)箱上安裝風(fēng)扇來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的散熱能力。同樣，確保遵循有關(guān)為該風(fēng)扇供電的很好實(shí)踐，以防止出現(xiàn)新的EMI問(wèn)題。
一些SMPS PCB布局技巧
您的堆疊
您的布局將在某種程度上幫助進(jìn)行熱管理，但這是EMI敏感性的更大決定因素。通常，通過(guò)在輸入和輸出電路上使用EMI濾波器來(lái)處理傳導(dǎo)噪聲。像高速/高頻系統(tǒng)中的許多EMI問(wèn)題一樣，您的堆疊將是抵抗輻射EMI的主要決定因素。
SMPS運(yùn)行的相關(guān)頻率范圍為?10 kHz至?1 MHz，因此輻射的EMI將感應(yīng)感應(yīng)噪聲。因此，您想將接地層與所有電源組件一起直接放置在表層下面的疊層中。這將確保表層電路的低環(huán)路電感。通常會(huì)通過(guò)在輸出端進(jìn)行濾波來(lái)消除傳播到輸出端的任何感應(yīng)噪聲信號(hào)。
瞬態(tài)振鈴
瞬態(tài)是一個(gè)更難解決的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兣c您的疊層，布線，過(guò)孔的存在以及去耦/阻抗過(guò)大有關(guān)。與高速設(shè)計(jì)中的情況一樣，請(qǐng)勿將任何攜帶開關(guān)信號(hào)的銅布線到接地層的間隙上，因?yàn)檫@會(huì)形成某種類型的天線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在瞬變時(shí)會(huì)強(qiáng)烈輻射。這些瞬變往往是高頻的（從10到100兆赫的任何地方）。
瞬態(tài)振鈴的問(wèn)題是阻抗管理問(wèn)題。高阻抗會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的電壓紋波。組件應(yīng)以正確的焊盤圖案放置，以最小化電路板PDN中的阻抗。您的組件的好壞焊盤示例如下所示。
布局中元件的好壞
最后，一般不要在布局中保留任何孤立的孤島。使用去耦電容器將可能包含控制電路或無(wú)源元件的任何功率孤島連接回接地/接地層。在這種情況下，請(qǐng)小心放置任何通孔，因?yàn)槟幌朐诮拥仄矫嫔蟿?chuàng)建意外的缺口或插槽。