开关电源PCB的底线设计 - 安川电机(上海)有限公司企业论坛 - 中国自动化企业中心

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发表人：zhangxt

发表时间：2019/7/8 13:34:00

本栏论题：

开关电源PCB的底线设计 [899]

    开关电源既是一个有高频、大电流的开关电路（如开关晶体管和高频变压器等），又是一个有小电流的测量和控制电路，电路之间的联系是错综复杂的。
    PCB设计时，需要从电路出发，分清大、小电流之间的关系，测量、控制与驱动电路之间的关系，处理好地线的布局。在开关电源的PCB设计中，地线的设计十分重要。这是因为在开关电源的开关晶体管导通和截止瞬间，电压和电流剧烈变化，又由于地线公共阻抗的存在，剧烈变化的电压和电流会在地线上产生严重的干扰。在地线的布局中，仅仅停留在“直流同电位”概念上是不行的，需要考虑电路的动态过程，注意地线中的电流及其流向。通过电流的流向，可以分析出地线的布局合理与否，并判断出是否存在干扰。

    地线布局的合理性判断可以用下面两个条件来衡量。

    ① 地线中的电流是否流过了与此电流无关的其他电路、部位和导线。
    ② 有没有其他部位和电路中的电流流入了本部分电路的地线。电路1和电路2通过公用地线段AB与电源形成回路。从前面的分析可以知道，线段AB可以等效成一个电阻和一个电感的串联，具有一定的阻抗。由于电路1和电路2的全部电流都从线段AB中通过，所以线段AB成为公共阻抗。当整个电路工作时，电路1或电路2的电流变化都将引起A点的电位变化，对电路1和电路2的工作状态产生影响，形成公共阻抗干扰。

    地线的公共阻抗干扰在开关电源的PCB设计中，开关电源的工作频率通常只有几十至几百千赫兹，使用单点接地已经可以满足要求。采用单点接地方式还可以使噪声源与敏感电路分离开来。

    一个开关电源逆变电路部分地线的

    （1）为了获得较好的电磁兼容性能，减少工频整流的纹波对SG6840电路工作的影响，桥式整流电路的输出首先应该接到电容器C2上，然后再与逆变电路相连。
    （2）在逆变部分的大电流环路（C2→高频变压器→MOSFET→RS→C2）中，RS和C2之间的连线要尽可能地短，不要在RS和C2之间布置元器件。
    （3）分离C1的接地环路，一路接SG6840的GND，另一路接偏压绕组。
    （4）C1要尽可能地靠近SG6840的VDD和GND，以便获得尽量好的去耦和滤波效果。
    （5）SG6840控制电路中的RL、RT及光电耦合器的地要连在一起，并且靠近SG6840的GND。
    （6）SG6840的GND要和RS的地连在一起。

    TOPSwitch开关电源的PCB设计实例

    1．TOP204YA1开关电源电路一个以TOP204YA1芯片为核心构成的开关电源电路图。 TOP204YA1开关电源电路图
    2．TOP204YA1源极引脚端的单点接地如图7-17所示，自动再启动/补偿电容C5必须采用单点接地方式连接到TOP204YA1源极。为了避免由于源极开关电流过大而导致导通期间的误关断或工作不稳定，必须进行合理的PCB布局。输入电容C1的高压返回线必须直接接到源极的焊盘上，而不能与C5的连线连接在一起。偏置/反馈的返回线也应当直接连接到源极的焊盘上。 TOP204YA1源极引脚端源极的引脚端必须尽可能短，而不要折弯或延长源极的引脚。对于漏极，如有必要，可以适当地弯折或延长漏极的引脚。安装TOP204YA1要完全插进PCB的焊盘中。
    3．关键元器件的PCB布局与连线关键元器件的PCB布局与连线。
    4．PCB布局与连线检查项目 PCB布局与连线检查项目如下。

    ① TOP204YA1（U1）、C1和变压器T1的初级引脚端应尽可能靠近，以缩小PCB的布线长度和回路面积。这些元器件的连接导线中有高速开关电流流过，通常会引起共模的EMI发射。要注意TOP204YA1与散热器的安装。
    ② VD1、VR1和变压器T1的初级引脚应尽可能靠近，以缩小PCB的布线长度和回路面积。这些元器件的连接导线中有高速开关电流流过，通常会引起共模的EMI发射。
    ③ TOP204YA1（U1）的漏极连接到T1的初级引脚端和钳位二极管VD1的印制导线必须很短。在印制导线上除了会流过高速电流外，还有很高的开关电压，后者也会引起附加的共模的EMI发射。
    ④ TOP204YA1（U1）的源极要直接连接到C1，而不应该有其他的分支线连接到这根线上。
    ⑤ Y1电容C7应该用粗而短的印制导线直接连接到变压器T1的偏置绕组的返回端和次级输出绕组的返回端。
    ⑥ 变压器T1的初级偏置绕组返回端应当直接连接到TOP204YA1（U1）的源极，不应有其他元器件连接到这根印制导线上，因为雷击浪涌的试验电压会在上面感应出噪声电压。 ⑦ 偏置二极管VD3要尽可能靠近变压器T1的偏置绕组引脚，以缩短阳极引线的长度（阳极引线上有高的开关电压）和增大相对比较“干净”的阴极引线的长度。
    ⑧ VD3的阴极要直接连接到C4，不要有其他元器件连接到这根印制导线上，因为雷击浪涌的试验电压和整流电流会在上面感应出噪声电压。因此，C4要通过PCB的布线和PCB元器件面的跳线来与光电耦合器件U2连接。
    ⑨ 电容C4要直接连接到TOP204YA1（U1）的源极，其间不要有其他印制导线与它相连，也不要有其他元器件连接到这根印制导线上，因为雷击浪涌的试验电压会在上面感应出噪声电压。
    ⑩ 电容C5应当直接连接到TOP204YA1（U1）的源极，而不应当有其他印制导线连接到这根印制导线上，也不要有其他元器件连接到印制导线上，因为雷击浪涌的试验电压会在上面感应出噪声电压。输出整流管VD2，以及C2和变压器的次级绕组彼此要尽可能靠近，以缩短印制导线的长度和回路面积，因为连接这些元器件的印制导线中有高速开关电流流过，通常会引起共模的EMI发射。印制导线要宽，因为峰值电流要远大于直流负载电流。 C3应尽可能靠近输出连接器，同时直接与输出连接器的印制导线相连，以减少输出开关噪声。注意：印制导线应直接贯通电容引脚的焊盘，而且没有其他的印制导线与C3串联。同时，还要注意与L1串联的印制导线，以及连接C2和C3的印制导线可以稍微狭窄一些和长一些，因为上面只有直流电流流过。散热器既可以直接与TOP204YA1（U1）的外壳接触，也可以完全与TOP204YA1（U1）的外壳及电路相隔离。如果散热器与电路的别处相连，而与TOP204YA1（U1）的外壳隔离，则TOP204YA1（U1）外壳和散热器之间的分布电容将与电路的电感产生谐振，形成高频振铃电流。高频振铃电流可能触发TOP204YA1（U1）使之停止工作

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