正确运用开关电源的原理图

正确运用开关电源的原理图

开关电源的原理图并不可靠。例如，似乎电路中每一个接地点代表着同一个点（即电压相同）。事实并非如此，尤其当PCB传输由开关转换产生的高频谐波电流时。所以仅通过观察电路原理图来判断开关电源或排除开关电源的故障是远远不够的。
1. PCB走线的阻抗：
对于高频谐波电流来说，几毫米长的PCB走线会成为名副其实的阻抗壁，从而导致走线一端的电压上升（相对于另一端），造成电路某处出现意外的结果。当阻抗呈感性时，由基本公式V=LdI/dt可知，走线上会产生严重的电压反冲，其中LdI/dt为电流跳变沿的斜率，L是这段走线的电感量。下面让我们看一个实例，典型的DC-DC变压器在20ns内开关几安培的电流，根据经验，PCB走线的电感为每英寸20nH,如果在lin(lin=2.54cm)d的走线中开关1A的电流，电压反冲为1V。开关2A的电流，走线电压反冲为2A，以此类推。根据故障区域在PCB上所处的位置，可找出施加在IC引脚上的电压尖峰，它会改变引脚的门限值，从而引起开关电源的电路故障。例如，如果某IC有一个时钟引脚，电压尖峰会使开关谐波严重地跳动，进而又产生一些明显的附件影响。幸好这些感性电压尖峰的能量通常不大，容易被附近的滤波电容或寄生电容吸收一部分，附近的电阻也会消耗部分能量。但当消耗发生时，电压尖峰必然产生一定大小的电流（在闭合回路中）。很不幸，如果电流回路中包含了IC内部未特别说明的电路模块（如静电释放结构、衬底等），不仅将引起开关错误，通常还会使控制器产生暂时或永久性故障。所以在设计开关电源或排除开关电源故障时，PCB的设计及分析显得如此重要。
2. IC内部的接地反弹：
现代功率IC的设计者已经开始尝试降低IC内部的接地反弹，这是通过将AGND(模拟地)引脚、DGND(数字地)引脚和PGND(电源地)引脚分别引出实现的。这样做的目的是避免数字部分突然拉出一定大小的电流时，连接走线两端的感性压降也不会引起内部接地参考瞬间的不平衡。这种不平衡会导致IC内部不同部分（模拟/数字/电源）的接口处产生信息传递错误。注意这种独立的接地引脚通常在PCB上相互间的距离很近，并连接至覆铜区，且与电源引脚间的去耦性能良好。这样IC内部连接导线引起的接地反弹会得到缓解，但要使整个变压器正常工作需要PCB所扮演的角色有更深入的理解，理解它对接地反弹、噪声等的影响。
3. 接地层：
如果观察一个实际的开关电源的PCB，我们甚至真的不知道如何划分出噪声区和无干扰区（因为它们有着相同的地）。我们通常只是希望采取简单的方法，即添加厚的覆铜层（接地层，它使PCB的专用层），并且通过距离很短的通孔将其与元件侧的地节点、接地端子和接地走线相连。而且我们也通常这么做。但是，在很大程度上其效果还依赖与接地层本身是否良好，及它平衡整个PCB地的效果。当我们永远不能使PCB的地节点完全平衡，因此必须掌握如何布线及连接变换器关键元件的方法，才能使不平衡的影响降到最低。
4. 电源与地之间走线的电感：
MOSFET场效应功率管的驱动信号通常由IC内的驱动极输出，故MOSFET的源极应接至IC接地端。但MOSFET的实际表现并不由施加在栅极与地参考间的电压所决定，而是取决于栅极与源极间的电压，即完全取决于实际的Vgs。
例如，如果源极与地之间的走线有点长的话，在开关转换瞬间它上面会出现很大的电感反冲，不严重的话只是降低开关转换的速度，严重时会使MOSFET错误地开通或关断，导致管子损坏。
5. 电流检测避免使用绕线电阻：
为了避免电感反冲，必须设法使MOSFET源极和地之间的PCB走线尽可能地短。如果源极接有检测电阻的话，必须是低电感电阻，否则电阻会产生电感反冲。所以对于电流检测来说，绝不能使用绕线电阻。我见过绕线电阻唯一的应用是在AC-DC电源中用做浪涌电流限流电阻，因为这时绕线电阻无需处理高频谐波。
绕线电阻常用作变换器的负载。开关电源适配器在进行烧机老化试验以对用户使用环境进行模拟，或测量噪声和纹波时，我们会使用绕线电阻，但我从不在其他场合使用绕线电阻。强烈简易配备一台性能优良的电子负载，但是应将其设置为CC(恒流)模式，因为电阻器（或设置为恒电阻模式的电子负载）太温顺了。比如，电阻几乎不会揭示出任何重要的启动问题。