鉅大LARGE | 點擊量：586次 | 2021年08月30日
有關(guān)開關(guān)電源設(shè)計的一些關(guān)鍵問題
開關(guān)電源在導(dǎo)通和封閉兩種狀態(tài)下的電流回路不盡相同，于是在部分支路上會出現(xiàn)階躍電流（stepcurrent）（圖1.C），這就是所謂要關(guān)注的AC電流路徑。
以PCb走線20nH/inch計算，典型buckconverter的AC電流路徑上電流變化約莫是開關(guān)電源封閉轉(zhuǎn)換時負載電流大小的1.2倍，是導(dǎo)通轉(zhuǎn)換時負載電流的80%。高速場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)換時間為30ns，bipolar的轉(zhuǎn)換時間為70ns；依據(jù)V=L*dI/dt，當(dāng)轉(zhuǎn)換時間（transitiontime）為30ns的1安培電流流過的一英寸走線將萌生0.7V的電壓，相同時間3安培兩英寸走線就是4V！所以第一條準(zhǔn)則便是：吝惜AC電流路徑走線長度。
此外電源芯片的GND腳走線盡可能短以戒備出現(xiàn)“地彈”（groundbounce），輸入電容位置應(yīng)靠近芯片。
元件要“扎堆”
最大的可惜是不能把元件疊加起來，因此到底先考慮哪一個元件就十分緊要了。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
準(zhǔn)則一：輸入端的兩個電容Cin和Cbypass。
輸入端電容的用途是抑制輸入電壓的波動。輸入電壓的波動重要來自電源開關(guān)時的脈沖輸入電流，bulk電源的輸出電流較平整（LC串聯(lián)電路）；boost電源的情況正好相反，輸入電容電流平整，脈沖電流進入輸出電容。原文還提及了buck-boost或“flyback”（回掃），Cuk（據(jù)說這種是理想的DC-DC轉(zhuǎn)換器，不存在所謂AC電流路徑，輸入輸出全是平整電流，沒玩過L）等電源，其輸入輸出電容上的電流狀況取決于各自的拓撲結(jié)構(gòu)。
在開關(guān)電源導(dǎo)通的瞬間，大部分脈沖電流來自Cbypass，其余部分重要來自Cin，惟有那些緩慢變化的電流才來自DC輸入電源。因此輸入電容實際為芯片供應(yīng)了脈沖電流源，假如輸入電容的ESR和ESL太高會造成不必要的高頻輸入電壓紋波，我們看到這句話千萬不可理解為要無限加大輸入電容，由開關(guān)頻率（100K-260K）萌生的自然輸入電壓紋波不在考慮范圍，俺們考慮的是在轉(zhuǎn)換瞬間頻率為10MHz-30MHz噪聲，特別的關(guān)于高速開關(guān)電源（這里的高速和開關(guān)的頻率并無多大關(guān)系，而是指開關(guān)的轉(zhuǎn)換時間，F(xiàn)ET速度快于bipolar），將一個0.1uF-0.47uF的貼片電容Cbypass盡可能靠近芯片，bulk電容Cin個頭大，可以距離稍遠（一英寸）。
準(zhǔn)則二：Cbypass電容和開關(guān)電源芯片親密接觸！
環(huán)流二極管（catchdiode，有時也用MOS管）的位置也至關(guān)緊要，它和芯片的連線是開關(guān)電源最為活躍的地區(qū)，解決不好的走線電感會在輸出方波信號上重疊毛刺電壓。
準(zhǔn)則三：環(huán)流二極管緊貼IC，連接IC的SWpin以及GNDpin形成一個緊湊的回流路徑。假如已經(jīng)遇到了毛刺電壓，可以加一個RC緩沖器（RCsnubber）吸收走線寄生電感引起的噪聲，位置也非得靠近IC的開關(guān)腳和地腳，典型的R值為10ohm-100ohm，C值為470pF-2.2nF（電容值過大會造成不必要的功率損耗，1/2*C*V2*f）。
加寬走線對減少寄生電感有用嗎
基本沒用，相反會造成EMI輻射
新增10倍走線寬度可以降低1/2的寄生電感，近似無效的投入！新增銅箔厚度也沒用。在AC回路所蘊含的區(qū)域電場和磁場的交互用途會向外輻射噪聲，倘若蘊含的區(qū)域較大那就正好起到了“發(fā)射天線”的用途。準(zhǔn)則四：減小AC電流回路面積，減小AC電壓銅箔面積，可以降低EMI輻射。要降低寄生電感，最先考慮減小走線長度。
鋪銅鋪到何時休
1）承載電流的能力
走線電阻在妨礙電流流過的時候會萌生熱量，給個相關(guān)經(jīng)驗準(zhǔn)則五：
關(guān)于5安培以下電流，溫度上升容限30°C
1盎司銅厚（1.4mil）每安培走線寬度至少新增12mils
2盎司銅厚（2.8mil）每安培走線寬度至少新增7mils
2）走線電感
全是好消息！
減小走線電感的最佳方法是新增完整的地層，電流不會無休止的朝著一個方向流下去，它一定會找到它最喜歡的返回路徑。之前有關(guān)走線電感的估算都是建立在回流路徑非常大，假設(shè)單根導(dǎo)線的情況。假如有一個完整的地層處于走線的下方，回流路徑就是走線在地層上的“鏡像”，平行的兩根導(dǎo)體電流流向相反時磁場互相抵消，寄生電感也隨之減小。
3）散熱管理
沒太多可以討論的，記住FR4也是很好的導(dǎo)熱材料，合理利用它和銅箔，還有導(dǎo)熱鉆孔。
地平面
保證其完整性，遇到大功率場合可能要多層地。
原文提到雙面板鋪地后，地上耦合噪聲過大自身也向外輻射的問題。
信號線：反饋
反饋線是唯一要留意的信號線，可能拾取噪聲而使電源工作不正常。拾取噪聲的前提條件是走線兩端至少有一端是連到高阻抗的節(jié)點，如誤差比較放大器的輸入端（在開關(guān)電源芯片內(nèi)部）。辨別清楚哪根走線才是可能拾取噪聲的，分壓電阻位置靠近IC。所以最后一條準(zhǔn)則是：反饋信號走線遠離噪聲源；或者/同時走線長度短。
總結(jié)
沒有電路圖看這篇筆記是沒用的，理解開關(guān)電源工作原理以及各支路上電流電壓的變化，找到AC電流路徑和關(guān)鍵器件Cbypass和環(huán)流二極管，才算把問題弄清楚。
