摘要：通過深入分析Flyback變換器的高頻迴路，探討如何通過選擇布線技巧和適當的器件來減少高頻迴路對變換器性能的影響，如何權衡採取的布線措施與其它設計要求相互的衝突。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/176272.htm敘詞：變換器 高頻迴路 布線技巧
Abstract：frequency loop of Flyback Convertor, the author discusses how to select wiring strategies and proper components to reduce the negative effect of high-frequency loop towards the function of convertors. The author also probes into ways to balance the adopted wiring strategies and other design strategies.
Keyword：Convertor, High-frequency loop, Wiring strategy
1. 引言
開關電源的噪聲問題一直是工程師十分頭痛的事情，比如樣機不工作、有音頻噪聲、輸出震蕩或不穩定、次諧波震蕩、保護電路總是誤動作、輸出紋波不正常和存在異常的噪聲等。 為解決這些噪聲問題，工程師一般需要花費大量的時間進行測試和調試，修改設計，或重新布線，那樣會大大延誤產品的開發進程。如果能找到一些通用的方法，在設計過程中預防或避免出現噪聲問題，那就能大大地加快設計進程。
本文以應用最廣的Flyback變換器為例，通過深入分析高頻迴路，探討如何選擇適當的器件和布線技巧，來減少高頻迴路對變換器性能的影響，如何權衡採取的布線措施與其它設計要求相互的衝突。
2. 深入分析高頻迴路
圖1為簡化的Flyback變換器的拓撲結構，主要包含有6個高頻迴路：(a)為原邊功率迴路A、(b)為副邊高頻功率迴路B、(c)為鉗位吸收回路C、(d)為驅動迴路D、(e)為輔助繞組迴路E，(f)為原邊控制迴路F。
圖1 Flyback變換器中的高頻迴路:(a)原邊高頻功率迴路A;(b)副邊高頻功率迴路B;
(c)鉗位吸收回路C;(d)驅動迴路D;(e)輔助繞組迴路E;(f)原邊控制迴路F。
2.1 原邊功率迴路A
圖1(a) 所示，原邊功率迴路A由電容C2、變壓器T1原邊、電晶體Q1、採樣電阻RS組成，當原邊電晶體Q1導通時，實現變壓器能量的存儲。
A迴路高頻電流ip的成分十分複雜，尤其是開通時的電流尖峰(如圖2所示)，它耦合了其它多個迴路的高頻信號。其中容易被忽略的是當原邊電晶體Q1導通時，變壓器寄生電容充電產生的電流和二極體D1、D2、D3的反向阻斷恢復電流會耦合到A迴路的高頻電流ip中，對其它迴路的影響後面詳述。
圖2迴路A高頻電流ip的波形
由於控制晶片的電流採樣電阻也在迴路A中，因此，原邊電晶體的開通和關斷產生的快速dv/dt和di/dt信號會對整體電路工作和EMI產生關鍵影響。因此，迴路A的布線是至關重要的，迴路面積要儘量小，一方面可以減小對其它迴路的影響，另一方面也對EMI性能有幫助。由於高壓電解電容C1的體積比較大，使得其很難靠近變壓器T1和電晶體Q1，影響原邊功率迴路A面積的大小。而且高壓電解電容C1高頻性能也不好，通常會採用小的薄膜電容C2與高壓電解電容C1並聯來縮小迴路A的面積。
2.2 副邊功率迴路B
如圖1(b)所示，副邊高頻功率迴路B，由變壓器T1副邊、整流二極體D2、高頻電容C5和電解電容C6組成。當原邊電晶體Q1關斷後，變壓器T1的儲能通過其副邊繞組和整流二極體D2向副邊釋放能量，對電容C5和C6充電。
迴路B需要注意的地方，是變壓器T1副邊、整流二極體D2、高頻電容C5和電解電容C6的布線迴路面積，尤其是T1副邊、D2和C5間的迴路面積應儘量小，對二極體D2的關斷電壓過衝和EMI性能都有幫助。所以，C5一般採用高頻性能很好的瓷片或薄膜電容，以克服電解電容的寄生參數的影響。
另外，值得一提的是，整流二極體D2的反向恢復電流和恢復時間，通常二極體的反向恢復電流和恢復時間在高溫下會比常溫高很多倍，甚至超過10倍，那樣會引起很高的關斷損耗，同時反向恢復電流會在原邊電晶體Q1導通過程中耦合到原邊A迴路中，對控制晶片IC的電流採樣信號產生影響，引起控制不正常。進一步講，很高的關斷損耗會進一步抬高二極體的溫升，使得二極體的恢復特性進一步惡化，形成惡性循環。
2.3 鉗位吸收回路C
如圖1(c)所示，鉗位吸收回路C由變壓器T1原邊、電容C3、電阻R1和二極體D1組成，用於鉗位吸收變壓器T1的漏感能量，減小電晶體Q1的關斷電壓尖峰。
在設計中，二極體D1的關斷性能很容易被忽略。當變換器工作在電流連續模式時，二極體D1的關斷性能對變換器性能的影響尤為突出。當電晶體Q1導通時，C1和C2上的輸入電壓加上C3上的鉗位電壓，會一起加到二極體D1上，從而引起很大的反向恢復電流(如圖2所示)，導致D1很大的關斷損耗。如果選用恢復特性差的快恢復二極體，會使D1的溫升很高，即使在25℃環溫下，甚至可以超過125℃。不少廠家在這方面有過不少教訓。
因此，在電流連續模式下，必須選用恢復特性很好的快恢復二極體而不是普通的快恢復二極體FR107等，推薦選擇反向恢復時間小於75nS的超快恢復二極體。
2.4 輔助繞組迴路D
如圖1(d)所示，輔助繞組迴路D由變壓器輔助繞組Na、二極體D3和電容C7組成。
二極體D3往往會選擇開關二極體(1N4148)或肖特基二極體，由於這些二極體的快速關斷特性，很容易產生遠高於開關頻率的高頻振蕩，會影響到變換器的EMI性能，甚至會通過變壓器繞組耦合到副邊產生額外的輻射。因此，迴路D要求有儘量小的迴路面積，有時還需要在二極體D3上串一個電阻以抑制高頻振蕩。
2.5 原邊控制迴路E
如圖1(e)所示，原邊控制迴路E，由控制晶片IC、旁路電容C8和採樣電阻Rs組成。
迴路E有兩點需要注意，C8必須儘量靠近控制晶片IC，同時與控制晶片IC的Vcc和接地引腳形成最小迴路;採樣電阻Rs到晶片反饋端的迴路需要避免和迴路A的耦合，採用單點接地的方式與迴路A連接。
2.6 驅動迴路F
如圖1f中所示，驅動迴路F，由控制晶片IC、門極驅動電阻Rgs、電晶體Q1和採樣電阻Rs組成。
當原邊電晶體Q1導通時，需要對電晶體Q1的門極充電，在驅動迴路F會產生很大的電流尖峰。這個電流尖峰會耦合到迴路A中，如圖2中的高頻電流ip的尖峰，其大小取決於門極電阻Rgs和控制晶片的驅動阻抗。而且，這個電流尖峰會直接從電容C8上抽取，造成控制晶片IC的Vcc電壓瞬間波動，導致對反饋環路工作的影響和晶片誤關斷。因此，電晶體Q1的門極驅動往往採用不對稱驅動，即開通慢關斷快。
如果旁路電容C8沒有緊靠控制晶片IC，電晶體Q1導通時需要的開通尖峰電流，會導致控制晶片IC的電壓瞬間跌落，造成控制晶片IC重起、電晶體在開通過程中的密勒效應區產生振蕩、或反饋控制不正常等怪異現象。
3. 高頻迴路的布線技巧
高頻迴路的布線需要注意高頻迴路面積、地線及其布線、過孔的阻抗和迴路間的相互耦合。
⑴ 迴路耦合
迴路耦合是布線中最需要注意的地方。比如，上述的Flyback高頻迴路中，原邊控制迴路E放入原邊功率迴路A就會引起明顯的耦合幹擾，從而引起變換器工作異常。因此，布線時應儘量避免迴路間的耦合，通常單點接地是常見的避免迴路耦合的方法。
⑵ 單點接地(2)
單點接地也稱「Y」型接地，本文提到的Flyback變換器的高頻迴路單點接地方式如圖3所示。但實際的布線中通常會有一些器件是多個迴路共用的，比如圖1中電流採樣電阻RS就是原邊功率迴路A、原邊控制迴路E和驅動迴路F的共用器件。在這種情況下，可以通過採樣電阻RS的焊盤處做單點接地連接，以儘量減小迴路間的耦合，如圖4所示。
圖3 Flyback變換器的單點接地 圖4共用器件的單點接地
⑶ 地線
地線是高頻迴路布線的關鍵，不僅會影響變換器的正常工作和電氣性能指標，還會影響變換器的電磁兼容EMC性能。因此，通常會通過大面積的鋪地來減小接地阻抗，同時可以起到電磁屏蔽的作用。在電源適配器(Adapter)中經常採用整塊接地的PCB做屏蔽，或者用接地的金屬薄片包裹電源適配器，起到均勻散熱和電磁屏蔽的作用。在雙面板和多層板中，可以通過整層的地平面來實現大面積接地，同時對均勻散熱也會有很大幫助。
當大面積接地不能實現時，儘量能保證地線的寬度>2.54mm，否則只能起到電氣連接的作用，地線的高頻接地阻抗會很高，起不到接地的作用。
另外，地線應儘量避免過孔、跳線，當地線和其它布線衝突時，應優先照顧地線，避免單一過孔和跳線。
⑷ 迴路面積
在保證電氣絕緣的基礎上，迴路面積應該越小越好，一方面可以減小對其他迴路的耦合，另一方面可以改善變換器的EMI特性。圖5和圖6所示為單面板的高頻迴路面積的例子，其中黑線條和箭頭包圍的面積就是迴路面積，兩者元器件位置完全相同，但圖4的迴路面積就要遠遠大於圖5的迴路面積。
圖5大的迴路面積 圖6小的迴路面積
⑸ 過孔
過孔在多層板中經常使用，其寄生參數會對高頻接地阻抗產生很大影響。過孔寄生參數包括寄生電容和寄生電感，經驗公式如下所示。
其中：T為PCB厚度，e為板材的介電常數，D1為過孔焊盤直徑，D2為焊盤區直徑，h為過孔的長度，d為過孔直徑。
在100MHz的頻率下，一個0.254mm的常規過孔，寄生電感的阻抗可以達到0.64Ohm，如果用於接地又同時有1A電流，就會產生0.64V的壓降，影響接地效果，甚至變換器工作。如果這個過孔在地線上，那會對變換器EMI的接地阻抗產生很大影響。
因此，在布線時，儘量避免通過過孔接地。如不能避免過孔接地，可以通過多個過孔並聯連接，同時加大過孔直徑，降低接地阻抗。
4. 權衡與其它設計要求的衝突
經過對Flyback變換器中的高頻迴路逐一深入分析，可以發現布線對變換器的性能是至關重要的。通過單點接地方式同時減小高頻迴路面積，以避免上述高頻迴路間的耦合和相互幹擾。但實際布線過程中會碰到許多別的設計要求，使得這些措施很難同時完全做到。下述是常見的實際問題和相應的對策。
⑴ 元器件體積
比如變壓器T1的體積、高壓電解電容C1的體積和電晶體Q1散熱片的體積，再考慮電氣絕緣，使得這些器件必須保持一定距離，導致較大的迴路面積。當這些器件距離不能縮短時，可以考慮通過PCB鋪銅來縮小迴路面積，如圖5所示;或者通過跳線在單面板上實現雙面板的效果。多層板可以考慮整層鋪地的方式來減小迴路面積，同時減小肌膚效應和臨近效應的影響。
⑵ 機械結構的要求
通常產品會有外殼、接插件或線纜，為了配合這些結構件，它們對內部的元器件布置會有一些特殊的要求，從而導致高頻迴路中器件不能按照最小迴路面積放置。在這種情況下可以參照圖5的類似方式，通過PCB鋪銅來縮小迴路面積。
⑶ 熱平衡的考慮
如果僅從迴路面積的角度，就需要將許多發熱的器件靠得很近，產生局部熱點，比如電晶體Q1、變壓器和副邊二極體D2。如果從產品的溫升角度考慮，需要儘量把發熱的器件放到最容易散熱的位置，但那樣又會使高頻迴路中器件不能按照最小迴路面積放置。在這種情況下可以參照圖5的類似方式，通過PCB鋪銅來縮小迴路面積，同時就可以保證發熱器件的散熱。
⑷ 安規和電氣絕緣的要求
安規和電氣絕緣的要求，使得不少布線不能靠得很近，導致高頻迴路的迴路面積不能最小化。通常可以通過跳線和挖槽來解決安規絕緣距離要求與迴路面積的衝突。
⑸ 生產工藝的要求
通常許多電源的輸入輸出線或插座往往需要通過手工焊接，但為縮小迴路面積，PCB版有許多大面積的鋪銅，雖然可以幫助元器件散熱，但同時會導致手工焊點的虛焊。對於表面貼SMT的器件，也容易引起立碑等虛焊現象。為解決虛焊的問題，可以採取花焊盤如圖7所示。
通常每個公司採用的生產設備都不盡相同，或多或少有相應的可生產性規範(DFM guideline)，對於插件、表面貼和拼版工藝有很多規定，因此布線還是需要參考這些規範。
圖7 預防虛焊的花焊盤
當面臨上述衝突時，往往不能兩全，因此需要從優先級去分步採取解決措施，甚至是在某方面做出一些犧牲。通常安規和電氣絕緣是首要滿足的，機械結構的要求次之，熱平衡和生產工藝再做考慮。
5. 總結
通過上述深入分析Flyback變換器的高頻迴路，可以從高頻迴路入手，然後採取相應的措施，比如布線技巧及合適的器件等措施，來減少高頻迴路對變換器性能的影響。
當採取的措施相互衝突時，根據優先級進行權衡，就可以設計出性價比好，有利於大批量生產的產品。
參考文獻
[1] 林渭勳，《現代電力電子技術》，2006年1月，機械工業出版社。
[2] 錢照明，程肇基等，《電力電子系統電磁兼容設計基礎及幹擾抑制技術》，2000年 12月，浙江大學出版社。
[3] 郎為民，《表面組裝介紹及應用》，2007年9月1日，機械工業出版社。
作者簡介
黃敏超，男，1998年浙江大學電力電子專業博士研究生畢業，其間進行太陽能微型高頻鏈逆變器的研究。曾任職於伊博電源(杭州)有限公司研發部經理，從事DC/DC模塊和高功率密度節能電源適配器的開發;通用電氣全球研發中心電力電子實驗室高級工程師，研發核磁共振影像儀用的線圈驅動電源;晟朗電力電子有限公司亞太區工程副總經理，從事醫療電源的研發。現任職上海正遠諮詢有限公司總經理及資深諮詢師，從事電力電子產品、EMC和可靠性等疑難問題的技術諮詢和研發，提供研發設計體系和團隊建設服務。■