正確的印刷電路板(PCB)佈局是成功實現電源設計的最重要因素之一。非隔離型電源段是電源系統的基本構建模組。理解電流的流向以及高頻迴路如何構成,可說是設計中最重要的一步。

本文討論降壓、升壓和單端初級電感轉換器(SEPIC)電源段的電源設計技巧。

降壓轉換器

首先,我們採用一個輸出電壓較輸入電壓低的降壓轉換器。圖1顯示這種降壓轉換器的原理圖和PCB佈局。

20160722 TI TA31P1 圖1:這個簡化的原理圖中包含了輸入和輸出電容、電感、開關電晶體和阻流二極體

在脈衝寬度調變器(PWM)的導通期間,電流沿綠色箭頭所示的路徑流動,從輸入電容經過開關電晶體到電感。在PWM關斷期間,電流繼續沿粉色箭頭路徑流經電感。這意味著輸出具有連續流動的電流。輸入的高頻電流在每個週期導通與關斷一次。在此電源段佈局中最重要的部份是減少高頻迴路。圖1上半部份中的藍色箭頭反映的就是這個迴路。在電晶體導通期間,電流短暫地通過二極體D1流到接地。在這段時間內,如果輸入電容彼此間靠的不是很近,那麼這個大電流突波可能會導致一些設計問題。

確保電源走線或電源平面有足夠的寬度承載電源電流。一般來說,除了開關節點外,電源平面應該盡可能大。開關節點上有較大的dV/dt訊號,可能會耦合到PCB佈局的其它部份,因此儘量減小其表面積更能實現良好的設計。使用多個過孔連接不同層的電源平面。簡單的經驗規則是每個過孔(10mil鑽孔)不要超過1A的電流。如果能打造一個像PCB一樣大的連續接地面,將有助於減少雜訊和高頻迴路。

升壓轉換器

升壓轉換器用於從較低的輸入電壓產生一個較高的輸出電壓。你可以在升壓轉換器中使用與降壓轉換器中相同的過程來辨識關鍵路徑和迴路。

20160722 TI TA31P2 圖2:升壓轉換器的原理圖和PCB佈局

在PWM導通期間,電流從輸入端經過電感流到開關電晶體(綠色箭頭所示)。在此期間,能量在電感中不斷累積,然後在PWM關斷時轉移到輸出。現在電流沿著粉色箭頭流動,從輸入流到輸出。這意味著輸入側的電流是連續的。輸出端的電流是一種高頻開關電流。為了儘量減少高頻雜訊,必須使圖中藍色所示的迴路盡可能最短。

在電晶體導通期間,電流只短暫地從輸出經二極體流到接地。這個電流如果沒有正確地被輸出電容加以分流,就可能導致電源設計發生問題。用於降壓轉換器的通用佈局技術同樣可以應用於這種升壓轉換器。儘量減少開關節點面積,並使用多個過孔連接到接地面。

SEPIC轉換器

當輸入電壓比輸出電壓高或低時,都可以使用SEPIC轉換器。這種電源轉換器在輸入電壓低於輸出時可以發揮升壓的作用,而當輸入電壓高於輸出時又可以發揮降壓的作用。這種電路使用兩個電感或單一個耦合型電感。

20160722 TI TA31P3 圖3:使用耦合電感的SEPIC電源段原理圖和PCB佈局

因為有兩個電感,因此在開關週期的每個部份都有兩條電流路徑。在PWM導通期間,電流沿著綠色箭頭流動,並在電感中累積能量。當PWM關斷時,能量透過粉色電流路徑轉移至輸出端。在這種SEPIC設計中,輸入部份的電流是連續的。輸出端表現出高頻開關電流,因此需要儘量減小圖中藍色所示的迴路。建議使用靠近輸出電容的過孔連接到接地面。接地面可以在所有元件之間提供一條低阻路徑,從而降低雜訊。

結語

電源佈局設計是一個極富技巧性的任務。第一步是判斷電源中的電流是如何流動,然後找出並儘量減少高頻迴路。接下來使用接地面和電源平面以非常低的阻抗方式連接元件。確保所用的平面有足夠的寬度承載設計的電流。高頻開關節點要盡可能最小,以減少雜訊耦合到其它訊號的機會。利用許多過孔連接各種不同器件的大型、連續接地面,也可能成為一項很好的設計。