电源设计布局1：热回路

凭借二十年的现场经验，我主要为工业和汽车客户提供支持，在电源设计故障排除方面拥有丰富的经验。在客户支持方面，当某些内容未按预期或数据表中的承诺工作时，您通常会接到电话。通常，当您接到电话时，布局已经完成，投入了大量资金，解决问题的时间与项目管理的神经一样紧张。

很多时候，问题是由布局引起的。在演示板上，一切看起来和测量都很好。但在做出更多妥协的客户董事会上，情况就不同了。你不能责怪布局人员，他通过连接原理图所需的所有节点来完成他的工作，并将所有组件整齐地排列在印刷电路板上。要创建成功的电源布局，如果您计划更改经过验证的布局中的任何内容，则必须对所涉及的物理场有一定的了解。演示板布局可能针对与您的设计不同的要求进行优化，或者您的设计可能需要的组件可能略有不同。

在撰写此博客时，我问自己如何处理如此广泛的范围界定主题。我认为最好的方法是把它分成几块。我的目标是从 PC 板和组件方面创建一些直观设计内部的情况。在布局阶段，您通常会在几秒钟内做出决定，这将决定电路板的功能和 EMI。这些决定大多数时候都无法纠正，即使您拼命使用手术刀、旋转切割工具、铜箔和焊料。

我记得大约十几年前，一位客户第一次在汽车收音机中使用开关模式电源。他的许多同事说，这是做不到的。但是，在布局和输入过滤中解决了一些问题之后，一切正常。后来，一位客户成功地使用了一款 LT1940 1MHz 双通道降压型开关稳压器，该稳压器工作在汽车无线电接收器的 AM 频段中间。电源单元（PSU）不需要额外的金属屏蔽，只是放置，布局和滤波的问题。

开关模式稳压器中最重要的EMI来源是开关电流的环路。我称之为热循环。

对于非隔离拓扑，最基本的拓扑之一是降压稳压器。EMI从高di/dt环路开始。电源线和负载线不应具有高交流电流含量。因此，我们可以将分析重点放在输入电容Cin上，该电容应将所有相关的交流电流源向输出电容Cout，任何交流电流都在此结束。

图1.非隔离降压拓扑，其中产生最高EMI的环路是绿环路或热环路

在S1闭合和S2开路的导通周期中，交流电流跟随红色环路[图1]。在关断周期中，S1开路，S2闭合，交流电流跟随蓝色环路。两种电流都有空中飞人形状。人们通常很难理解产生最高EMI的环路既不是红色环路也不是蓝色环路。只有在绿色回路中流淌完全开关的交流电流，从零切换到Ipeak，然后再切换回零。我们将绿色回路称为热回路，因为它具有最高的交流和 EMI 能量。

为了降低EMI并改善功能，需要尽可能降低绿色回路的辐射效应。如果我们能够将绿色回路的PC板面积减小到零，并购买具有零阻抗的理想输入电容器，问题就会得到解决。但我们仅限于现实世界。工程的任务是找到最佳折衷方案。该环路的磁偶极子场强度与开关电流和覆盖面积成正比。

让我们看一下LT8611降压转换器的布局。LT8611 在内部具有两个开关，因此我们只需要关注输入电容器的连接。

图2.LT8611降压转换器的原理图

从图2的原理图中可以看出，出于布局目的，热回路不容易发现。

图3.LT8611buck转换器的布局，其中绿线是顶层的热回路

绿线是顶层的热回路。交流电流流过输入电容和器件中的开关。图 3 显示了 DC1750A LT8611 演示板。

升压电路在连续模式下可视为反向运行的降压电路。

图4.热回路是蓝色回路和红色回路之间的区别，S1 打开，S2 关闭

热回路被识别为S2闭合时的蓝色回路与S2打开和S1闭合的红色回路[图4]之间的差异。

图5.

单电感4开关降压-升压[图5]由降压电路和升压电路组成。布局通常会因属于两个热回路的通用GND分流器而变得复杂。LTC3780 DC1046A 演示板 [图 6] 示出了一种将检测电阻器分成两个并联电阻的优雅解决方案。

图6.

图7.

SEPIC电路的略有不同的图[图7]显示了它的热回路。通常使用二极管代替顶部开关的有源MOSFET。LT3757 DC1341A [图 8] 显示了良好的 SEPIC 布局。绿色热回路区域最小化，并在下一层具有实心GND平面

图8.

图9.

反相拓扑结构[图9]与SEPIC[图8]非常相似，只是负载通过顶部开关和顶部电感。布局非常相似，演示板通常可以从SEPIC修改为反相，前提是IC还可以调节负反馈电压，如LT3581、LT3757等。

图 10.

反激式拓扑[图10]在变压器上使用单独的绕组，初级绕组和次级绕组之间只有磁耦合。初级绕组中的电流在相对较高的di/dt下变为零。只有存储在绕组之间和开关节点上的漏感和电容中的能量才能减慢速度。初级和其他变压器绕组可视为完全开关的电流。我们得到了两个主要的热回路，如降压-升压情况[图5]。为了降低EMI，除了关闭V在去耦 对于差模EMI，共模扼流圈用于此拓扑中可能占主导地位的共模EMI。

因此，成功布局的第一步是保持热回路尽可能小。使用设计规则允许的最小铜间距。使用最短和最平坦的陶瓷去耦电容器，首先闭合热回路。为热回路并联使用多个阻断或去耦电容并没有错。将它们堆叠在一起，最短和最平坦的电容器靠近热回路，较大的封装紧随其后。

审核编辑：郭婷