反激式開關電源PCB設計要點

2021-02-24 硬體十萬個為什麼
對於開關電源的PCB布局及走線是一個很重要的環節，不是說原理圖是正確的後續的工作就沒有了，其實原理圖設計的完成只能證明電路原理上是正確的，並不能說明按照這個原理圖所設計出的電路板能正常工作，因為PCB合理布局及走線會很大程度上影響電路的正常工作，例如PCB布局不合理，首先會表現出來的就是電路的抗幹擾能力差，並且對外輻射能力強。對於走大電流的開關電源而言，PCB布局不合理會造成電路板發熱很嚴重。所以說PCB布局及走線在開關電源的設計中佔據很大一部分。對於走高速信號的PCB板更是如此。對於開關電源的布局走線的規則有很多，大體上可歸結為為大功率元件放在頂層，貼片放在底層；高電壓線以及大電流走線的線寬要達到要求，最好是以敷銅的形式；功率環路和反饋環路要小且兩者最好要有一定間距；元件之間要有一定的間隔，元件到PCB邊緣要有一定的間隔；晶片供電引腳上並聯的電容要儘量靠近晶片電源引腳等等。以下就本次設計的PCB布局走線的一點建議。對於反激變換器而言，有幾個點在布局布線的時候需要注意，例如輸入電路部分、變壓器部分、電源晶片部分、反饋環路部分。對於輸入電路部分而言，輸入濾波器元件要布在一個區域且元件之間留有一些間隙，走線儘量走較寬的線或者直接走銅箔。變壓器部分是電磁幹擾的一個重要幹擾源，儘量讓變壓器靠近整流橋後的儲能電容，同時走線也儘量寬，從儲能電容到變壓器再到主開關管最後在回到儲能電容這個迴路要小，敏感線路的走線儘量離這個迴路要遠。電源晶片部分的關注點是晶片的電源引腳要並聯一個貼片電容到晶片的地引腳，這個貼片電容的放置位置要靠近晶片的電源管腳，要是由於某些原因不能靠近放置在晶片管腳，也可以放置在晶片電源管腳的背面。反饋環路部分的布局布線，主要關注的還是走線環路以及與大電流線的間距問題。反饋環路上面走的信號都是重要的信號，這些信號去控制電源管理晶片的輸出PWM波的佔空比來調節輸出的穩定。如果反饋環路上的信號受到了幹擾，那麼勢必會影響輸出的穩定。反饋環路的走線要遠離與變壓器相連的走線，也要遠離主開關管，要是電路板上還有大電流的走線或者高速信號的走線，反饋信號的走線也要遠離這些走線。反饋環路的走線大致可以分為TL431部分的走線以及光耦部分的次級走線，TL431是取出反饋信號，光耦的次級將反饋信號反應到電源管理晶片。其中特別是光耦次級到電源晶片走線的這個環路要小。

 


   圖1 反激電源整體原理圖

圖1開關電源從市電火線L和零線N進來後，有一個電流較大的保險管，如圖1所示。這是因為板子上有其他市電交流負載，如交流電機等，當負載電流過大時，保護電路。該保險管電流參數需要根據實際負載功率計算選擇。保險管後有一個壓敏電阻（如圖2所示），用於抑制浪湧和瞬時尖峰電壓，當其兩端電壓高於其閾值時，壓敏電阻值迅速下降，從而流過大電流，保護後級電路。在壓敏電阻後又有一個電流較小的保險管（如圖2所示），這才是真正針對板子開關電源的過流保護，防止電源電流過大，保護電路。保險管後的NTC電阻（如圖2所示），用於抑制開機時的浪湧電流，因為剛開機時，NTC溫度較低，電阻值很大，抑制電流過大；當在電流作用下，NTC電阻溫度升高，電阻值下降到很小，不影響正常工作電流。安規X電容(如圖2所示）用於濾除市電的差模幹擾，其後的3個電阻主要用於給X電容放電，以符合安規要求，防止在切斷市電輸入時，人手觸摸到金屬端子有觸電感。使用多個電阻的原因是分散承受電壓和功率。共模電感（如圖2所示）用於濾除共模幹擾電流。

圖2輸入部分電路

圖2輸入電容EC1在行業上有個3uF/W的通用原則，但需要注意的是該功率是輸入功率而非輸出功率，假設輸出功率12W，效率為80%，則輸入功率為15W，則輸入電容至少為45uF，如圖8所示。由於反激電源演變自Buck-Boost，其輸入迴路和輸出迴路均是電流不連續路徑，因此均要控制迴路面積越小越好。輸入電容EC1要靠近電源晶片，如圖3所示。同理，輸出整流二極體和輸出電容也應該靠近變壓器。

圖3

圖3RCD鉗位電路用於吸收開關管關斷時的Vds高壓，防止損壞MOS管（電源晶片）。Layout時需將電容靠近變壓器，電阻次之，如圖4所示。

圖4

圖4光耦用於反饋輸出電壓，並進行隔離，II型補充設計原理圖參考上述的文章，在此不再贅述。光耦反饋迴路的初級GND最好不要和大電流路徑的初級GND共用，以免受到幹擾影響導致輸出電壓波動，因此採用單獨拉一根GND地線到EC1的公共地，形成單點接地，如圖5所示。

圖5

圖5並聯於輸出整流二極體兩側的RC阻容吸收回路，用於抑制二極體在高頻通斷情況下產生的EMI，因為二極體在導通瞬間會產生電壓尖峰（電場），在關斷瞬間會產生電壓尖峰和電流尖峰（磁場）。輸出電容EC2和EC3要注意均流設計，如圖6所示，兩個電容的電流路徑是基本等長的，以避免某個電容因過流而提前失效。

圖6

圖6輸出電壓反饋節點需要從末端電容取出，以提高電壓穩定精度，如圖7所示。

圖7

圖8

本文部分內容整理自《百度文庫 反激式開關電源PCB設計要點》

一、基礎知識

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二、電路設計

1、輸出電容的選擇

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2、輸入電容的選擇

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3、輸出電感的選擇

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4、MOSFET的選擇

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5、電源中的緩衝吸收電路

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6、開關電源損耗

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7、自舉電容

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8、電流檢測

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開關電源輸出電感的DCR溫度補償

9、電源緩啟動

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10、VTT電源

為什麼DDR電源設計時需要VTT電源

三、PCB設計

開關電源PCB設計要點分析
BUCK電路原理及PCB布局與布線注意事項

非隔離式開關電源PCB布局設計技巧

開關電源的PCB布線設計技巧——降低EMI

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四、環路穩定性

環路補償

電源環路穩定性評價方法

五、電源測試

開關電源測試項目

電源紋波測試

電源效率測試

電源相關的測試

六、電源可靠性

電源輕載嘯叫問題及實例

電源的可靠性設計

諧波過高導致 UPS 輔助電源板頻繁損壞

多電源電路的可靠性設計案例

消除Buck電源轉換器中的EMI問題

電源的安規設計

七、隔離DCDC

從Buck-Boost到Flyback

反激變壓器設計過程

漏感

開關電源變壓器的結構和組成

看了這兩個視頻，就理解「氣隙」了

反激式開關電源設計步驟詳解

八、設計實例

一個BUCK電源電路設計測試過程

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POE電源模塊設計詳解

AC-DC電源設計實踐分享

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