本附录包含有关优化PI器件的开关模式电源印刷电路板(PCB)布局的一般指南和技术。所有电路实例均设计为单面PCB布局,使成本最小化。这些布局技术可满足低成本和易于制造的目标。良好的PCB布局有两个目标:
将电路走线中存在的杂散寄生因素的幅度和影响降至最小。这些寄生因素包括分布式电阻、电容、电感以及多余的磁耦合。电源元件、I/O连接器和散热装置的放置和排列,简而言之,整个物理布局直接决定了这些寄生因素的幅度和影响。良好的布局可改善电源的性能和效率,同时还可减少有害的电磁干扰(EMI),并最终降低整体产品成本。
尽量为那些释放大量热量的元件传导散热。PCB走线、功率或接地平面层必须能帮助元件散热,以将热量传递到环境空气中。这种方法通常仅对耗散低于5 W(取决于器件类型及封装)的元件才有效。整个PCB铜板的热传导受电路走线长度、宽度和厚度(通常为30 mm或60 mm/1 oz或2 oz)以及PCB材料热阻的影响。在PCB整个布局过程中,目标之一是将高发热元件放在系统空气对流附近,或者使热敏感元件远离发热元件。
在PCB布局期间,还应确定安全间距。请参阅应用指南AN-15,了解更多有关安全性问题及其对PCB布局影响的信息。请咨询相应的安全机构了解有关最终产品要求的更多具体信息。
“一般布局指南”应与后面附录中介绍的特定PI元件指南配合使用。
在采用PI器件设计电源时,应采用下列技术。后面部分将提供每种技术的示例:
缩短高电流节点之间的距离,并增加电路互连走线的宽度和厚度,这可降低走线的寄生电阻和电感。尽量缩短路径并走直线,特别要降低高电流次级走线的寄生电感。但是,请避免连接开关节点和过宽的走线(例如,连接变压器和漏极节点的走线,以及连接变压器和次级二极管的走线),因为这会损害EMI的性能。请尽量缩短走线长度。
缩短交流电流回路长度。这可保持较低的寄生电感,同时降低元件和PCB走线之间的磁耦合。
使PI器件和开关节点尽量远离交流输入和直流输出(I/O)。这样可降低进入这些I/O端口附近元件和走线的辐射EMI噪声,还可帮助降低传导EMI。
采用相同并联输出电容。这可使次级交流电流路径上的阻抗相等,进而让纹波电流更均匀地流经这些电容,提高整体稳定性。对于所有并联的输出电容,从输出二极管到电容之间的PCB走线长度,应与从电容回到变压器的走线长度相等。否则,具有最短走线长度的电容将流过最大部分的纹波电流,而比其它电容消耗更多功率,这可能使其使用寿命缩短。
恰当放置滤波电容,使得由滤波电容、变压器和PI器件形成的环路面积最小。
在高压初级节点和所有其它低压节点之间保持足够的间距,这有助于防止出现拉弧现象。拉弧现象可能会损坏电源元件,导致其失效。
使用直插式元件在接地铺铜区域或功率走线进行跨接走线。这可减少对跳线的需求,降低PCB板布局的复杂性。
使热敏感元件远离散热量大的元件。例如,散热器与电解电容或其它热敏感元件之间不应存在物理接触。如果设计采用对流冷却,则注意可能存在的气流模式。不要将热敏感元件放置在发热元件的“热阴影”中。此外,“散热死区”内只能有很少的气流,因此不要将需要空气散热的元件放入“散热死区”内。
源极引脚或引脚的输入滤波电容的负极端采用单点(Kelvin)连接到偏置绕组的回路,这样有助于防止漏极电流干扰器件工作。
尽量缩短所有元件到PI器件引脚的连接长度。具有相对较高输入阻抗的引脚(如控制(C)、多功能(M)、外部流限(X)和电压监控(V))对噪声非常敏感,因此应尽量缩短这些引脚到其连接的外围元件之间的距离。也请特别注意V引脚,因为它具备很高的阻抗。有关详细信息,请参阅TOPSwitch-HX数据手册布局注意事项。
共模输入浪涌电流应从PI器件源极引脚分流。偏置电路的返回回路应连接到初级(大容量)输入电容,与器件源极引脚之间保留安全距离。
Y型EMI电容应连接在初级正极(大容量电容的正极)直流总线输入和次级返回回路之间,两个连接应尽可能地接近变压器引脚。如果Y电容需要连接初级返回回路(大容量),请采用单独走线将其直接连接到大容量电容上(Kelvin连接)。
Y封装PI器件上的散热片不能与初级返回节点存在电气连通。元件散热片内部与源极引脚相连,因此不能与电源的其余电路相连。如果在散热片和源极引脚之间存在电气连接,则源极和散热片之间会流过电流。
将所有P和G封装的源极引脚连接到PCB初级返回平面,以增大到PCB板的热传输。
有关布局示例,请参考每个器件的数据手册。