電力電子電路PCB布線(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)分析

摘要：：電力電子電路PCB的布線(xiàn)在很大程度上決定了最終產(chǎn)品的好壞。本文主要分析了常用電力電子電路的PCB布線(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，主要包括開(kāi)關(guān)節點(diǎn)問(wèn)題，PCB布線(xiàn)的寬度、厚度和電感的關(guān)系，關(guān)鍵走線(xiàn)如何處理，多層板的地以及散熱等問(wèn)題。 敘詞：印刷電路板（PCB） 布線(xiàn) 開(kāi)關(guān)節點(diǎn) 電感 散熱 Abstract： Power and electronic circuits PCB layout determines the final products performance. Several key techniques of power and electronic circuits PCB layout are analyzed in detail in this paper, which includes switch node problem, the relationship between inductance and the width and thickness of PCB layout, how to deal with the critical alignment, multilayers ground, and thermal management concerns. Keyword：Printed circuit board (PCB), Layout, Switch node, Inductance, Thermal management

1 引言

一臺性能優(yōu)良的電力電子變換器，除選擇高質(zhì)量的元器件、合理的電路外，印刷線(xiàn)路板的組件布局和電氣聯(lián)機方向的正確結構設計是決定開(kāi)關(guān)變換器能否可靠工作的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。對同一種組件和參數的電路，由于組件布局設計和電氣聯(lián)機方向的不同會(huì )產(chǎn)生不同的結果，其結果可能存在很大的差異。因而，必須把如何正確設計印刷線(xiàn)路板組件布局的結構和正確選擇布線(xiàn)方向及整體儀器的工藝結構三方面聯(lián)合起來(lái)考慮。合理的工藝結構，既可消除因布線(xiàn)不當而產(chǎn)生的噪聲干擾，同時(shí)便于生產(chǎn)中的安裝、調試與檢修等。

文獻[1]從抗干擾的角度介紹了印刷電路板基板材料的選擇、表面的處理、布線(xiàn)、抗干擾設計等。文獻[2]詳細討論了開(kāi)關(guān)電源PCB排版的基本要點(diǎn)，并描述了一些實(shí)用的PCB排版例子。文獻[3]提出了在PCB板電路設計中的工藝設計和抗干擾的有效方法，如何正確設計印制電路板組件布局和選擇布線(xiàn)方向的改進(jìn)，以便滿(mǎn)足PCB板抑制干擾和噪聲的設計要求。文獻[4]在建立單片機應用系統可靠性設計模型的基礎上，提出了PCB可靠性設計應包括總體設計、布線(xiàn)設計和PCB尺寸及器件布置，并介紹了提高PCB可靠度的方法。電力電子變換器最終產(chǎn)品的好壞，在很大程度上取決于所設計的開(kāi)關(guān)變換器PCB的布線(xiàn)。以上文獻都沒(méi)有涉及電力電子電路的布線(xiàn)問(wèn)題。本文主要分析常用電力電子電路的PCB布線(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，以利于開(kāi)關(guān)變換器設計者參考。

2 基本電力電子電路

最基本的電力電子電路有三種boost、buck、buck-boost[5-9]。這三種拓撲取決于電感的鏈接方式，設置合適的參考地后，可以得到三個(gè)不同的端子：輸入端、輸出端和地端，如圖1所示。若電感一端與地相連，則得到buck-boost電路；若電感與輸入端相連，則得到boost電路；若電感與輸出端相連，則得到buck電路。

圖1 電力電子電路的三種拓撲結構：(a) buck-boost拓撲；(b) boost拓撲；(c) buck拓撲。

3 開(kāi)關(guān)節點(diǎn)

在開(kāi)關(guān)器件與二極管之間設置的電感電流換流節點(diǎn)稱(chēng)之為開(kāi)關(guān)節點(diǎn)。電流從電感流入此節點(diǎn)，根據開(kāi)關(guān)狀態(tài)不同而流入開(kāi)關(guān)或者二極管。任何DC-DC變換器拓撲均有此節點(diǎn)，由二極管參與構成的節點(diǎn)可防止巨大的電壓尖峰產(chǎn)生。

節點(diǎn)電流在開(kāi)關(guān)和二極管之間進(jìn)行轉換，因此二極管需要周期性的轉換狀態(tài)，即二極管需在開(kāi)關(guān)導通時(shí)加反向電壓而在其關(guān)斷期間加正向電壓。因此，節點(diǎn)電壓來(lái)回振蕩，將一示波器探頭連接于此節點(diǎn)，探頭地接于此拓撲電路的地，所得電壓波形為方波。此波形與電感電壓波形極為相似，不同之處在于此電壓在正電壓范圍改變，改變幅度由電路拓撲決定。

實(shí)際設計PCB時(shí)需要特別注意防止在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處布過(guò)多銅絲。否則它可能成為一個(gè)電磁場(chǎng)天線(xiàn)，向四周輻射射頻干擾，輸出導線(xiàn)會(huì )吸收此干擾并直接傳遞到輸出。

所有集成IC的開(kāi)關(guān)均與其控制部分封裝在一起，這樣雖然應用方便且價(jià)格便宜，但是通常這樣的IC對走線(xiàn)寄生電感所產(chǎn)生的噪聲更敏感。這是因為其功率級開(kāi)關(guān)節點(diǎn)僅是該IC本身的輸出引腳，該引腳將開(kāi)關(guān)節點(diǎn)產(chǎn)生的高頻噪聲直接傳遞到控制部分，導致控制失常。

4 PCB走線(xiàn)的寬度、厚度與電感

對于長(cháng)度為l、直徑為d的導線(xiàn)，其電感值可由式（1）表示。

(1)

式中：L和d的單位均為cm。

PCB走線(xiàn)電感的計算公式與導線(xiàn)電感公式區別不大，由式（2）表示。

(2)

式中：ω為走線(xiàn)寬度。

需要注意的是PCB走線(xiàn)電感基本與覆銅厚度無(wú)關(guān)。從以上對數關(guān)系可以看出，若PCB走線(xiàn)長(cháng)度減少一半，則其電感值也減少一半。但走線(xiàn)寬度必須增加10倍才使其電感減少一半。即僅增加走線(xiàn)寬度用處不大，要減少電感應使走線(xiàn)盡量的短。

過(guò)孔電感由式（3）計算，

(3)

式中：h為過(guò)孔深度，單位為mm，一般h等于板厚，通常為1.4mm~1.6mm；d為過(guò)孔直徑，單位為mm。對于1.6mm厚、直徑為0.4mm的過(guò)孔電感為1.2nH。雖然不大，但實(shí)際證明它也影響開(kāi)關(guān)IC的工作，特別是在使用MOSFET時(shí)。因此，必須使用一輸入陶瓷電容為IC解耦，一定要注意該電容應盡可能靠近IC引腳與PCB連接處，并且在該電容與IC引腳焊點(diǎn)之間不能有過(guò)孔連接。

事實(shí)上增加某些走線(xiàn)的寬度對電路工作可能是不利的。例如，對正輸入-正輸出buck變換器，從開(kāi)關(guān)節點(diǎn)到二極管的走線(xiàn)電壓是變化的。任何帶有變動(dòng)電壓的導體，不管它流過(guò)電流的大小，只要其尺寸足夠大就會(huì )形成E型天線(xiàn)。因此，應該減少開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處的走線(xiàn)面積，而非增加它。這就是為什么要避免不當的“銅濫”的原因。唯一允許大面積覆銅的電壓節點(diǎn)就是接地點(diǎn)或外殼接地點(diǎn)，其它走線(xiàn)（包括輸入電源母線(xiàn)）都可能因寄生高頻噪聲而產(chǎn)生嚴重輻射效應[10]。

減小電感的最好方法是減小長(cháng)度，而不是增加寬度。若由于某些原因，走線(xiàn)長(cháng)度不能進(jìn)一步減小，則可以通過(guò)將電流前行和返回走線(xiàn)并行的方法來(lái)減小電感。電感之所以出現是因為它們存儲了磁能量，該能量存在于磁場(chǎng)中。反過(guò)來(lái)講，如果磁場(chǎng)消失，則電感也消失。通過(guò)將兩條電流走線(xiàn)平行布置，流過(guò)它們的電流大小相等方向相反，從而使磁場(chǎng)大大削弱。這兩條平行走線(xiàn)在PCB的同一面上時(shí)要靠的非常近。若使用雙面PCB，最好的辦法是將兩條平行走線(xiàn)置于板的兩面或者相鄰層的相對位置。為加強互耦以消去磁場(chǎng)，這些走線(xiàn)應該盡量寬些。

對于大功率離線(xiàn)反激式變換器，二次側走線(xiàn)的電感會(huì )反射到一次側，從而極大地增加了一次等效漏感，使效率降低。當要應付較大的電流而需并聯(lián)多個(gè)輸出電容時(shí)，這種情況就更為嚴重。但仍可利用消去磁場(chǎng)的方法來(lái)減小電感。

從產(chǎn)生噪聲的觀(guān)點(diǎn)上看，對所有拓撲，電感均不處于關(guān)鍵路徑，因此不必過(guò)多的擔心它的布線(xiàn)。但要考慮電感產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，它會(huì )影響附近的電路及敏感走線(xiàn)，同樣會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。因此，在一般情況下，若成本允許，最好使用屏蔽電感來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。若條件不允許，應將其置于遠離IC處，特別要遠離反饋走線(xiàn)[11]。

5 電力電子電路PCB的幾個(gè)關(guān)鍵走線(xiàn)

在開(kāi)關(guān)轉換期間，某些走線(xiàn)的電流會(huì )瞬間停止，而另一些走線(xiàn)電流同時(shí)瞬間導通，他們均在開(kāi)關(guān)轉換時(shí)間的100ns之內發(fā)生，這些走線(xiàn)被認為是開(kāi)關(guān)變換器PCB布線(xiàn)的關(guān)鍵走線(xiàn)。它們的布線(xiàn)應該寬而短。每個(gè)開(kāi)關(guān)轉換瞬間，這些走線(xiàn)中都產(chǎn)生很高的di/dt，這個(gè)線(xiàn)路都混雜著(zhù)細小但不低的電壓尖峰[6][7]。這主要是由寄生電感產(chǎn)生的電壓V=L×di/dt引起的。根據經(jīng)驗，每英寸走線(xiàn)的寄生電感約為20nH。MOSFET比BJT轉換速度更高，MOSFET的開(kāi)關(guān)轉換時(shí)間為10ns~50ns，而B(niǎo)JT一般為100ns~150ns。由于它們在其PCB關(guān)鍵走線(xiàn)中產(chǎn)生更高的di/dt，采用MOSFET開(kāi)關(guān)的變換器將產(chǎn)生更惡劣的尖峰。對1嫉耐走線(xiàn)開(kāi)關(guān)，在30ns的開(kāi)關(guān)轉換時(shí)間流過(guò)1A的瞬態(tài)電流，將產(chǎn)生0.7V的尖峰電壓。若是3A的瞬態(tài)電流流過(guò)2嫉耐走線(xiàn)，將產(chǎn)生近4V的尖峰電壓。噪聲尖峰一旦產(chǎn)生，不僅傳遞到輸入/輸出，影響變換器性能，而且還能滲透到IC控制單元，使控制功能失穩失常，甚至使控制的限流功能失效，導致災難性后果。

噪聲尖峰幾乎是觀(guān)察不到的。首先，各種寄生參數一定程度上幫助吸收尖峰噪聲。其次，用示波器探頭觀(guān)察時(shí)，探頭自身10pF ~20pF的電容也能吸收該類(lèi)尖峰，從而看不到任何顯著(zhù)信息。另外，探頭感應了太多空氣傳播的開(kāi)關(guān)噪聲，使觀(guān)察者難以確定所看到的到底是什么。

對于buck和buck-boost電路，輸入電容也處于關(guān)鍵路徑中。這意味著(zhù)在這些拓撲中功率級需要有良好的輸入解耦裝置。因此，除了功率級所需要的大容量電容外（通常是大容量鉭電容或鋁電解電容），還應在開(kāi)關(guān)的電源側與最靠近開(kāi)關(guān)的地端之間接入一小容量陶瓷電容，約0.1μF~1μF。

對于boost和buck-boost電路，輸出電容也處于關(guān)鍵路徑中。因此，該電路電容和二極管應盡量靠近控制IC，在該電容兩端并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容是有利的，但要求它不會(huì )引起環(huán)路不穩定。

對buck電路，應注意雖然要求輸出二極管盡量靠近IC/開(kāi)關(guān)，但對輸出電容卻沒(méi)有嚴格要求，這是因為電感的存在使得該路徑電流平滑。若用一陶瓷電容與輸出電容并聯(lián)，則只是為了進(jìn)一步降低輸出高頻噪聲和輸出紋波。但該做法并不可靠，特別是對于電壓控制模式，當輸出電容等效串聯(lián)電阻（ESR）值變得太?。ㄐ∮?00m ）時(shí)，可能造成環(huán)路嚴重不穩定。

對所有拓撲結構，二極管處于關(guān)鍵路徑。二極管連接開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，并通過(guò)節點(diǎn)直接連接到開(kāi)關(guān)IC內部。對開(kāi)關(guān)IC，當buck變換器布線(xiàn)造成二極管距離IC太遠時(shí)，可通過(guò)在開(kāi)關(guān)點(diǎn)與地之間（跨過(guò)二極管，靠近IC）并聯(lián)一個(gè)小型RC緩沖器來(lái)進(jìn)行后級調整。該RC緩沖電路由一個(gè)10Ω~100Ω電阻（最好為低感型）與一個(gè)約470pF~2.2nF的電容（最好為陶瓷電容）串聯(lián)組成。注意電阻功耗為C×VIN2×f。所以不僅電阻瓦數應選合適，電容容值也不能隨意增加，以避免效率損失太多。

通常認為最重要的信號走線(xiàn)是反饋走線(xiàn)。若這條走線(xiàn)吸收了噪聲，就會(huì )使輸出電壓產(chǎn)生些許偏移，極端情況下可能造成不穩定或器件損壞。應使反饋走線(xiàn)盡量的短，并遠離噪聲或磁場(chǎng)源（開(kāi)關(guān)、二極管和電感）干擾。決不能將反饋走線(xiàn)置于開(kāi)關(guān)、二極管和電感下方，即使是PCB的另一面的下方，也不能讓它靠近或平行噪聲走線(xiàn)超過(guò)2mm~3mm，即使PCB的鄰近層也要這樣考慮。有地處于中間層時(shí)，應在層間提供足夠的屏蔽保護。

有時(shí)使反饋走線(xiàn)很短是不現實(shí)的。應認識到使走線(xiàn)盡量短并非第一位的要求。事實(shí)上，經(jīng)常會(huì )有意識的將它布的長(cháng)一些，以便使這些走線(xiàn)避開(kāi)潛在的噪聲源。也可小心設計使部分反饋走線(xiàn)穿過(guò)沒(méi)有返回電流流過(guò)的地，這將使得它免受干擾[11]。

6 多層板的地

對多層板，通常的做法是將全部一層作為地。一些在這方面有經(jīng)驗的人認為，該方法能夠解決很多問(wèn)題。已知每個(gè)信號都有回路，隨著(zhù)諧波增高，其返回電流將不是沿著(zhù)直流電阻最小的那條路徑，而是沿著(zhù)地對應電感最小的路徑，甚至是之字形路徑。因此，通過(guò)設置一層地，就能給返回電流提供阻抗最小的路徑，至于是直流電阻最小還是感抗最小，則取決于諧波頻率。地還能容性的吸收其上層走線(xiàn)的噪聲，從而一定程度的減少噪聲和電磁干擾。但若不小心也會(huì )造成輻射，這種情況可能在耦合了太多走線(xiàn)噪聲時(shí)發(fā)生。地并非十全十美，吸收了噪聲，它就會(huì )受到影響，特別是銅皮很薄時(shí)情況更為嚴重。若地為建立熱島或為其它形式路徑，被分割為不規則的圖形，電流流動(dòng)方式就會(huì )變得不規則。地上的返回路徑將不能直接對應其前向走線(xiàn)。此時(shí)，地也起魚(yú)骨天線(xiàn)的作用，產(chǎn)生EMI。

7 散熱問(wèn)題

電力電子變換器的設計除了整機的熱設計外，PCB板的熱設計也十分重要。對于散熱，并非銅皮面積越大越好，銅皮較薄時(shí)更是如此。使用1in2以上的銅皮面積性?xún)r(jià)比已經(jīng)不高，但對覆銅厚度為2.8mil（70μm）或更厚的覆銅板銅面積可增大到3in。超過(guò)以上限制則需使用外部散熱器。功率器件表面與大氣的實(shí)際熱阻大約為30℃/W。即IC內部每消耗1W溫度升高30℃?？衫媒?jīng)驗公式（4）來(lái)求出所需銅皮面積。

(4)

式中：P的單位為W，Rth為熱阻，單位為0C/W。

應該指出，熱量并非都是從銅皮表面散失掉的。常用于SMT（表面處理技術(shù)）的板材粘層為環(huán)氧樹(shù)脂FR4，它是很好的導熱材料。安裝器件的一面產(chǎn)生的熱量可通過(guò)FR4傳遞到板的另一面，該表面接觸空氣可幫助降低熱阻。因此，即使在板的另一面設置銅平面，同樣也有散熱效果，但只可以減小10%~20%的熱阻。注意該背面的銅表面并不需要與散熱器件同電位，它可以是公共地的銅表面。還有一種可以大幅度減小熱阻的方法，可以減小約50%~70%的熱阻。它利用一排小過(guò)孔（也稱(chēng)熱孔）將器件的產(chǎn)生的熱量從PCB的一面傳到另一面。若使用熱孔，其孔徑應很小，內徑為0.3mm~0.33mm，這樣可在過(guò)孔鍍過(guò)程中將它們填滿(mǎn)。熱孔太大會(huì )在波峰焊時(shí)產(chǎn)生焊芯，從而使孔中吸入大量焊錫，容易使孔附近器件產(chǎn)生虛焊點(diǎn)。對散熱區域，熱孔的間距一般為1mm~1.2mm，功率器件的周邊、近旁甚至散熱片下方都可以設置這類(lèi)熱孔網(wǎng)絡(luò )以實(shí)現散熱[11]。

8 結語(yǔ)

本文討論的大多數關(guān)于布線(xiàn)的建議與措施，能確保電力電子變換器的基本功能和基本性能。作為電力電子電路設計人員，應首先了解變換器主電路電流的流向，從而識別出PCB中有麻煩的或者關(guān)鍵的走線(xiàn)，必須特別注意這些走線(xiàn)的布線(xiàn)。該走線(xiàn)的判定隨拓撲結構的不同也不同。因此，不能用設計buck電路的方法來(lái)設計buck-boost電路PCB，其規律有很大差別，而很多PCB布線(xiàn)人員并不清楚這一點(diǎn)。因此，電源設計人員最好親自布線(xiàn)或用心指導PCB布線(xiàn)人員。