Switching Power Supply PCB Layout 1

電磁干擾

電機設備和電子產品在使用過程中可能產生電磁輻射,因此電子電路的設計,應該既不受外在電磁干擾源的影響,本身也不該成為電磁干擾源,此一設計理念即為所謂的電磁相容性 (electromagnetic compatibility, EMC)。

大多數電子設備的 EMI 是藉由傳導性方式接收 (Conduction),少數則來自無線電頻率之輻射接收 (Radiation)。

在數位電路中,最臨限 (Most critical) 的信號通常最易受到 EMI 的干擾,例如重置、中斷以及控制線路信號。

在類比電路中,類比低階放大器、信號轉換器、補償電路等,則對雜訊干擾最為敏感。

PCB Layout 觀念

一個電源 PC 板的 Layout 布局,對一個電源設計的成敗有相當大的影響。但於現今的設計應用,卻往往被忽略了。

Layout 布局有著很重要的角色,特別是對像是功能,電磁干擾 (EMI) 或是溫度性能等問題。

好的 Layout 布局是可以減少像 EMI 濾波器、電磁屏蔽零件的用量,甚至PCB的散熱銅箔空間、縮短研發時程,進而減少成本。

因此如何最佳化你的 PCB layout,是我們需要了解的一個基本課題。

切換式電源 (Switch Power)

一個 Switch Power 通常會包含功率開關 (Power switch)、濾波電容 (filter capacitors)、磁性元件 (magnetics),以及整流器 (rectifier)。透過這些元件將能量由輸入端轉移到輸出端,以獲得所需的輸出。功率開關 (Power switch) 的工作是快速的導通跟關斷,透過不同的導通跟關斷時間來改變輸出。由於導通時工作在飽和區,導通壓降極低;截止時工作在截止區,無電流通過,因此功耗極低,以致讓整個轉換效率得到提升。這相較於傳統 Linear regulator,在體積及效率得到相當大的改善。

Switch Power 主要缺點是因為高速切換所產生的電壓 ($dv/dt$) 及電流 ($di/dt$) 的變化,會產生電磁干擾問題。

轉換器 (Converter)

轉換器的種類擁有很多架構,存在非隔離設計和隔離型驅動電源之分。一般為了安全,電壓超過直流電 42.5V,就會需要變壓器隔離。

非隔離設計因不使用變壓器,而具有尺寸、重量、成本方面的優勢。一些常見的應用會將功率開關跟整個控制線路放在同一個 IC 內,獲得更有效的空間節省。

隔離電源的輸入迴路和輸出迴路之間沒有直接的電氣連接,輸入和輸出之間是絕緣的高阻態,沒有電流迴路。在非隔離電源的電感磁性元件,被分開同時作耦合,成為所謂的變壓器。

  • 非隔離電源:輸入和輸出之間有直接的電流迴路,輸入和輸出之間是共地的。
  • 隔離電源:電源的輸入迴路和輸出迴路之間沒有直接的電氣連接,輸入和輸出之間是絕緣的高阻態,沒有電流迴路。

常見的非隔離架構切換式電源

  • 降壓型 (Buck; Step-Down)
  • 升壓型 (Boost; Step-Up)
  • 升降壓型 (Buck Boost)

常見的隔離架構切換式電源

  • 順向式 (Forward; 由 Buck 演化而來)
  • 反向式 (Flyback; 由 Buck-Boost 演化而來)
  • 推挽式 (Push-Pull; 源於 Basic Forward)
  • 半橋式 (Half-Bridge; 源於 Basic Forward)
  • 全橋式 (Full-Bridge; 源於 Basic Forward)

在這特別提一下,多出現在工業用應用的場合,有個應用叫 Inverter (逆變器;或稱變頻器),屬於大功率的應用,架構上使用電感器而非變壓器,因此以前面所提的判斷方式應屬非隔離架構,但其實因其取電通常來自高壓電力網、高壓電池或是高壓太陽能板,所以還是需要做隔離以確保操作人員的安全,在這應用上隔離部分則會在人機介面間去完成,確保人員不直接接觸高壓導致危險。

Layout 準備

第一件事是分辨出那些是主要的「功率元件」

  • 濾波電容:並聯於輸入電容上,用於高頻成分的濾除;這電容必須擺放靠近切換迴路輸入。
  • 功率開關
  • 整流二極體
  • 電感器或變壓器

第二件事是分辨電源路徑,重要的電流迴路,切換與非切換的迴路

  • 切換迴路 (Switching Loop):功率開關迴路及整流迴路。
  • 非切換迴路 (Non-Switching Loop):濾波電容迴路至其負載端
    • 在切換器輸入,由輸入端至輸入電容 $C_{in}$ 再回到輸入端。
    • 在切換器輸出,由輸出電容 $C_{out}$ 至輸出負載再回到輸出電容端。

這些迴路都需要縮小其迴路面積 (area) 及範圍 (circle),加寬導線線徑降低阻抗 (Low impedance)。

切換迴路在一個切換電源是最重要的部分,因為切換迴路會產生較大的電壓 (high $dv/dt$) 或是電流 (high $di/dt$) 變化。因此,在開始擺放跟走線時,要先將這部分規劃跟考慮。

縮短迴路面積,電流返回路徑盡可能靠近電流流出路徑,電流一去一回,使這兩相反的磁場可以互相抵消,可以減少電磁干擾。

在控制器的接線部分,盡可能做到低阻抗或是足夠寬的電流接線。

但不建議拉長或加大切換迴路銅箔,因為它形同一根天線會產生電磁干擾。

第三件事是分辨「控制線路」

  • 有可能是高集成的控制器或是控制器加驅動器
  • 訊號線須遠離大電流迴路
  • 縮短驅動器輸出到功率開關迴路面積,以提供抗干擾能力
  • 針對高阻抗點,像是回授信號腳。它很敏感,因此接線需要非常短。同時包含所有的信號線,要遠離 High $dv/dt$ 的切換路徑,避免受到干擾。
  • 分開信號地跟功率電流地
  • 分開所有信號用地線,特別是判斷準位極低的信號用地線

特別一提,這些佈局上的注意事項,單層板、多層板應用都適用。