高压SMPS PCB布局可将热量和噪音降至最低

时间:2020-09-17 作者:pcba-smt.cn
无论是执行AC-DC转换还是DC-DC转换,开关电源布局在高压设计中都很常见,必须仔细构造。尽管该系统非常普遍,但由于开关期间电压和电流的快速变化,它很容易辐射EMI。设计人员很少能将现有设计应用于新系统,因为一个区域的微小变化会产生难以诊断的EMI问题。

通过正确的布局选择和布线,可以防止噪声成为SMPS输出上的重要问题。可以购买低电压转换器作为具有不同形状因数的IC,但是高电压转换器将需要由专用板上的分立组件生产。以下是一些重要的SMPS PCB布局技巧,可帮助您保持组件冷却并防止系统中出现噪声问题。

SMPS PCB布局中的噪声和热量问题
没有解决之道:由于晶体管驱动器的开关动作,任何SMPS都会产生中等程度的高频噪声。实际上,您是在将低频纹波(即,在AC-DC转换过程中从全波整流器产生)转换为高频开关噪声。尽管此转换产生更稳定的直流输出,但仍然存在两个重要的噪声源:

来自开关元件的直接开关噪声。

系统中其他地方的瞬态噪声。

噪声会以传导噪声和辐射噪声的形式出现在SMPS单元的输出上。尽管每个问题的原因都很难诊断,但可以轻松地区分两种类型的噪声。SMPS PCB布局中的其他设计挑战是板上产生的热量。虽然这可以通过选择正确的PWM频率,占空比和上升时间来影响,但您仍然需要在电路板上使用正确的热管理策略。考虑到这两个挑战,让我们看一下SMPS PCB布局中要注意的一些细节。

热管理
理想的SMPS将耗散零功率,尽管实际上并不会发生这种情况。您的开关晶体管(以及用于AC-DC转换的输入变压器)将耗散绝大部分的热量。即使在开关电源拓扑中效率可以达到90%,功率MOSFET仍可以在开关过程中散发大量热量。此处的常见做法是将散热器放置在关键的开关组件上。确保将它们重新连接到接地层,以防止产生新的EMI。

在高压/大电流电源中,这些散热器可能会很大。您可以通过在机箱上安装风扇来增强系统的散热能力。同样,确保遵循有关为该风扇供电的很好实践,以防止出现新的EMI问题。

一些SMPS PCB布局技巧
您的堆叠
您的布局将在某种程度上帮助进行热管理,但这是EMI敏感性的更大决定因素。通常,通过在输入和输出电路上使用EMI滤波器来处理传导噪声。像高速/高频系统中的许多EMI问题一样,您的堆叠将是抵抗辐射EMI的主要决定因素。

SMPS运行的相关频率范围为〜10 kHz至〜1 MHz,因此辐射的EMI将感应感应噪声。因此,您想将接地层与所有电源组件一起直接放置在表层下面的叠层中。这将确保表层电路的低环路电感。通常会通过在输出端进行滤波来消除传播到输出端的任何感应噪声信号。

瞬态振铃
瞬态是一个更难解决的问题,因为它们与您的叠层,布线,过孔的存在以及去耦/阻抗过大有关。与高速设计中的情况一样,请勿将任何携带开关信号的铜布线到接地层的间隙上,因为这会形成某种类型的天线结构,该结构在瞬变时会强烈辐射。这些瞬变往往是高频的(从10到100兆赫的任何地方)。

瞬态振铃的问题是阻抗管理问题。高阻抗会导致强烈的电压纹波。组件应以正确的焊盘图案放置,以最小化电路板PDN中的阻抗。您的组件的好坏焊盘示例如下所示。
布局中元件的好坏

布局中元件的好坏

最后,一般不要在布局中保留任何孤立的孤岛。使用去耦电容器将可能包含控制电路或无源元件的任何功率孤岛连接回接地/接地层。在这种情况下,请小心放置任何通孔,因为您不想在接地平面上创建意外的缺口或插槽。

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