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  • MOS驱动,PCB布线技巧图文解析
    • 发布时间:2022-11-14 18:00:47
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    MOS驱动,PCB布线技巧图文解析
    开关电源在布线上最大的特点是拓扑引起的高频(高压)强电流与控制级的弱电信号交织在一起,首先要保证强电流的存在不干扰电源内部的控制信号,其次要尽量减少对外部的干扰(EMC)。一句话:要运行最稳定、波形最漂亮、电磁兼容性最好。
    关键词一:电流
    一个典型的开关电源强电流分布(图一):
    开关电源 PCB布线
    特点:
    1、每种拓扑的输入输出电流 Ii 和 Io 幅度较大(与控制信号相比),但以直流为主。
    2、每种拓扑的拓扑电流 It 幅度也较大,但一般没有尖峰毛刺,是拓扑产生的典型波形。
    3、每种硬开关拓扑都有一个高频脉冲电流 Ip 回路,其幅度最大,且有可观的尖峰毛刺,其中毛刺部分幅度大,频率高,因而含有较高的能量。它一般是由续流或者吸收(钳位)二极管反向恢复引起的冲击电流回路,是最容易引起干扰的元凶。
    4、  以上四种电流对应流经一段地线,并可能在对应的地线段上产生干扰电位差。
    电流分类是开关电源布线的主要线索,请大家记住这个图。
    关键词二:电容
    从图中可以看出,It 和 Ip 电流完全(不是部分)地流经了各自对应的一个电容 Ci 和 Co。一般人很少去关注电容上流过的电流,而实际上这正是开关电源布局的关键之一。干扰都是通过电容被旁路的,整个电路最强劲电流都在电容上,电容很重要!
    按照反应速度分,最快的器件是电容、二极管等器件,最慢的器件是电感等器件。
    要领一:高频脉冲电流 Ip 回路最小化(第一个圈)
    首先找到电路的高频脉冲电流 Ip 回路(每个拓扑都有的),它一般都是由包括开关管在内的快速器件组成的环路,在布局上让它最小化(连线最短、面积最小,因而干扰最小)。
    这个是整个开关电源布局的第一步,而不是先去张罗输入输出在哪?IC放哪?
    这样连接后,ND两个地会合并在一起,形成一个点,这个点就是整个电路的接地中心。
    要领二:拓扑电流 It 回路最小化 (第二个圈)
    找到电路的拓扑电流 It 回路(每个拓扑都有的),它一般都是包含了一个电感(或者变压器原边)的拓扑主回路的一部分,让它最小化。
    注意:
    1、It 回路与 Ip 回路有部分重叠(才能构成拓扑),因此 It 回路(应该)是在 Ip 回路(已经布置好的)基础上的延伸。
    2、有时候这两个回路的布局有冲突,一般应以 Ip 回路为主。
    3、对于隔离拓扑,It 回路被变压器分隔成原边和付边两部分,应分开最小化布置。
    4、 如果 It 回路有个接地点,那么这个接地点应与上述接地中心重合,不能布置到一个点时,也要尽量缩短距离,同时留心这段地线上的 It 电流可能的影响。
    5、条件受限时,上述2个回路的(输入输出)电容可能不能共地,必要时可以电气并联的方式就近增加一个(或两个可以共地的)高频电容达成共地。
    画好这两个圈,这个PCB板布局的大致方位基本上确定了。现在再考虑控制在哪?输入输出在哪?
    需要特别指出的是:
    1、这种布局是针对硬开关的,但是对软开关拓扑仍然有效,总不希望自己的软开关谐振波形上再意外出现一个小波吧?
    2、这种布局是针对硬开关的,它就是要让电路看上去更加符合理论波形,拿掉毛刺、拿掉尖峰。另一层意思是:它会更硬一些(可能对EMC某些频段不利)。
    3、从EMC角度,这种布局就是总体最优化结构,整体上最容易过辐射和传导测试。具体到某个板能不能过?按这样布局后的整改工作量和成本也是最小。
    关键词二:接地中心
    开关电源 PCB布线
    根据以上布局,图一地线上 G、N、D 三个点已经最大程度的合并成一个点了,这就是拓扑接地中心 GND。
    它的意义也很明确:这个点以外的地线上应该已经没有大的脉冲电流了,地线基本上就安静了,板总体上也安静了。因此,主电路的其他部分:桥在哪?输入输出端子在哪?怎么走线都问题不大了。
    关键词三:特殊工况
    但仍然有意外情况:
    1、如果图一的输入差模滤波电感 Li 没有或不足,其地线的输入 A-GND 段仍然可能有较大的脉动电流。这是由于电源的输入阻抗太低,以至于单独一个 Ci 还不足以旁路掉所有高频的缘故。
    2、输出突然短路、或者输入在交流的高电压角突然开机,电容 Co 和 Ci 呈短路运行工况,可能在地线的 GND-E 或者 A-GND 段上产生非常强大的电流和高达足以烧坏芯片的电压差(可能十几伏或更高)。有不少人开机或者短路就烧芯片(其他不烧),多半是这里没处理好。
    拓扑的布局处理完了,现在是控制部分。根据以上布局,已经知道了接地中心,同时也能够看出来开关的驱动脚在哪个方向,就可以就近布置驱动和控制电路了。  
    开关电源的所有操控,最终都由对开关管的精确驱动来体现,因此驱动环路要优先布置。目的只有一个:保持驱动波形的正确和纯粹。
    要领三:驱动电流 Ig 回路最小化(第三个圈)
    开关电源 PCB布线
    需要注意的是:
    1、这个电流环路应包含驱动电路的 Vcc 滤波电容 Cg 通道在内,因为驱动电流本质上就是该滤波电容 Cg 的输出电流。这个电流(脉冲成分)是很大的,一般是安培级,至少是亚安培级,几乎与拓扑电流相当。
    2、这个滤波电容 Cg 必须贴近驱动 IC 的供电端子布置,这是因为驱动 IC 内部的电路和信号可能非常复杂和敏感,完全要仰仗这个电容来撑住。——这一布线原则对任何一个芯片(电路)都适用,即:每个 IC 的 Vcc 滤波电容无一例外的都必须就近钉在该芯片的 Vcc 和 Gnd 引脚上,没得商量。
    3、这样布置下来后,一般会形成 Rg 连线和 GND-gnd 两条连线,两条连线在环路电流 Ig 上是等效的。这意味着改变其中任意一条连线上的电流波形,都将改变驱动电流波形,使其不再纯粹。这还意味着 GND-gnd 可能会拉开距离,这就形成了第二个接地中心 gnd。
    关键词四:一点接地
    gnd 即驱动电路的滤波电容 Cg 的接地端,它可能与拓扑接地中心 GND 拉开距离。如图所示,所有弱电单元的地线应在此一点接地,再连接到 GND。为什么要这样接?
    原因是:
    1、首先,其中辅助电源的电流 Iv 是最大的(也可能是安培级),而且跟 Ig 刚好反向(它是 Cg 的输入电流),如果其接地点不连接到 gnd,比如接到 GND,势必会在 GND-gnd 连线上形成 Iv 电流回路,使 Ig 叠加上 Iv,导致驱动电流波形畸变,即:驱动被供电干扰。 基于这个原因,驱动电路的滤波电容 Cg 的 VCC 端的输入输出连接也需要分开走线。
    2、其他电路单元的电流一般很弱,如果连接到其他地方,则会使 GND-gnd 连线上较强劲的 Ig 脉冲电流叠加到自己的地线上,即:控制被驱动干扰。
    3、同理,其他各个电路的地线,无论多么绕,均应分别走线到 gnd 一点接地,否则,除了可能因上述 Ii、Io、Ip、It、Ig、Iv 等强电流窜进自己的地线形成干扰外,还可能通过共用地线相互干扰。
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