AC-DC控制器PCB布局指南

在65W~150W 輸出功率范圍應用下，CrM PFC+QR Flyback拓樸是非常普遍被選用的架構，在小型化集成線(xiàn)路趨勢下，QR combo 控制芯片應運而生。另外對于消費型電子產(chǎn)品，不僅能效需要符合法規的要求，其待機損耗也是相當重要的評判指標。SO20封裝不僅整合了PFC與QR控制器的功能，也整合了高壓?jiǎn)?dòng)與X2 cap放電機制，當然IC也必須考量到絕緣空腳距離以致于有些腳位的功能是復合性的，就像HV/X2，BO/X2， PCS/PZCD...在這之中尤其是以小信號檢測PCS/PZCD比較敏感，避免用戶(hù)在應注意而未注意情況下進(jìn)行不恰當的PCB布局設計，產(chǎn)生異常動(dòng)作保護觸發(fā)的現象，以下就為大家介紹NCP1937相關(guān)的應用經(jīng)驗與注意事項。

NCP1937集成了功率因數修正（PFC）和準諧振（QR）反激式控制器，旨在用于電源適配器并實(shí)現高能效、緊湊型開(kāi)關(guān)電源，例如：PD快充、工業(yè)通信電源、電動(dòng)工具快充等方案。這是一款采用混合數字內核架構的AC-DC器件，能夠提供更高能效、增強靈活性及簡(jiǎn)化系統設計應用。該PFC級以最大頻率箝位在臨界導通模式（CrM）下運行時(shí)表現出接近1的功率因子。該電路結合了構建一個(gè)堅固緊湊的PFC級所需的所有必要功能，同時(shí)最大限度地減少外部器件的數量。準諧振電流模式反激級具有專(zhuān)有的谷值鎖定電路，確保穩定的谷值開(kāi)關(guān)。該系統工作到第四個(gè)谷值并切換到一個(gè)頻率折返模式，最小頻率箝位超出第4階谷以消除可聽(tīng)噪聲。跳周期模式操作允許在輕負載條件下具有出色的效率，同時(shí)待機功耗非常低。

圖1 NCP1937的應用電路以及各種接地點(diǎn)的區別

1 電流路徑和接地點(diǎn)對噪聲的影響

在任何電源轉換器中，PCB 布局和布線(xiàn)需要考慮盡量減少噪聲的產(chǎn)生和確保穩定運轉。作為組合IC，NCP1937控制兩個(gè)可變開(kāi)關(guān)頻率轉換器而且彼此獨立運行。事實(shí)上，PFC部分柵極驅動(dòng)器和QR 部分柵極驅動(dòng)器可以在任意點(diǎn)開(kāi)啟和關(guān)閉。因此有必要特別關(guān)注當前的電流路徑和接地點(diǎn)，以避免噪聲在兩個(gè)轉換器之間的相互作用。在為NCP1937布置PCB之前，建議區別并注釋各種接地點(diǎn)（如圖1 所示）。下面的表1 說(shuō)明了不同電流路徑的接地點(diǎn)，并表示為PGNDx。同時(shí)，為了區別模擬或信號接地點(diǎn)，將其表示為AGNDx。星形接地在業(yè)界眾所周知，是很好的實(shí)踐布局方式。圖2 是NCP1937的應用線(xiàn)路在初級側星形接地配置的范例。以下是針對初級側電流路徑的PCB 布局以及接地點(diǎn)的說(shuō)明：

1.1 分別提供單獨的路徑給PFC 和反激式轉換器的開(kāi)關(guān)電流。從圖1 可知，PGND3 到PGND4 的電流路徑（PFC 電流路徑）和PGND4 到PGND5 的電流路徑（反激式轉換器電流路徑）是完全隔開(kāi)，有各自的電流回路。這將避免開(kāi)關(guān)電流和柵極來(lái)自?xún)蓚€(gè)轉換器的驅動(dòng)電流重疊。

表1 說(shuō)明圖1中的各個(gè)接地點(diǎn)

1.2 PGND6 和PGND4 之間的路徑可以改善的浪涌（surge）的耐受度。建議使用單獨的走線(xiàn)以及足夠的線(xiàn)寬，將PGND6 接回PGND4。

1.3 建議PGND4和PGND5之間的接線(xiàn)盡可能越短越好。

1.4 PGND4將是整個(gè)模擬信號地的星形連接中心點(diǎn)。連接PGND4和AGND1之間應盡可能短且盡可能寬。

1.5 PGND1、PGND2、PGND3之間可以是連續路徑，即不需要隔離這些路徑。

針對初級側模擬信號的PCB 布局以及接地點(diǎn)的說(shuō)明：

1）AGND1是模擬信號接地端的星形中心點(diǎn)。AGND2和AGND3應在該點(diǎn)相交。

2）AGND3來(lái)自PFC扼流圈輔助繞組，應單獨連接至AGND1。

3）AGND2 應單獨連接至AGND1。

圖2 NCP1937使用星形接地范例

2 用例：90W電源適配器應用電路的PCB布局

圖3為安森美(onsemi)90W電源適配器的展示板。接下來(lái)透過(guò)應用線(xiàn)路（圖4）來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)踐的PCB布局方式。

2.1 擺放NCP1937時(shí)，IC可靠近PFC電流感測電阻。

2.2 PFC電流感測電阻盡可能靠近Bulk cap 的接地端。

2.3 建議PCS/PZCD 和QCS loop 可優(yōu)先布線(xiàn)，路徑盡可能愈短愈好。 任何高頻驅動(dòng)信號及高dv/dt 信號，禁止穿越或靠近PCS/PZCD 和 QCS 信號回傳路徑

2.4 PFC 功率電流必須單獨回到Bulk cap GND. （紅色power grounding）

2.5 Flyback 功率電流必須單獨回到 Bulk cap GND，不可以經(jīng)過(guò)PFC 功率電流路徑才回到Bulk cap GND

2.6 PFC 扼流圈輔助繞組的接地端，必須直接連接到VCC SMT 電容的接地端

2.7 VCC SMT 電容以及PCS/PZCD 濾波電容必須靠近IC 的GND

2.8 所有小信號grounding必須都先連接到VCCSMT電容。也就是VCC SMT 電容的接地端會(huì )呈現星形分散連接到所有的小信號grounding （藍色grounding ）

2.9 QR Aux winding GND必須先連接到VCC的電解電容，再從電解電容分成兩路各連接到VCC SMT 電容GND 及Bulk cap GND （綠色接地）

2.10 PCS/PZCD 的RC 濾波必須靠近IC pin 腳（藍圈1）

2.11 QCS 的RC 濾波必須靠近IC pin 腳（藍圈2）

2.12 QZCD high low line 補償電阻靠近IC pin 腳

2.13 HV/X2 and HV/BO pin 可以預留落地高壓濾波電容（~ 470pF）

2.14 一、二次側的Y cap 應單獨回路連接到Bulk cap GND及output cap GND，不可先匯入power loop或是小信號grounding loop。

圖3 安森美90W電源適配器的展示板

圖4 應用線(xiàn)路以及接地的布局方式

3 通過(guò)PCB布局優(yōu)化ESD，避免誤觸發(fā)保護機制

另一方面為了通過(guò)ESD測試，會(huì )透過(guò)PCB布局的方式優(yōu)化ESD能量的路徑，避免誤觸發(fā)IC 的保護機制。圖5是優(yōu)化前的接地方式，ESD能量會(huì )通過(guò)Y cap到一次側會(huì )經(jīng)過(guò)獨立Trace回到Bulk cap GND，但是另一個(gè)路徑則會(huì )經(jīng)過(guò)變壓器繞組耦合到一次側時(shí)，AUX繞組grounding若先連接到Current Senes的power Trace時(shí)，就會(huì )在CS信號受到ESD injection能量產(chǎn)生distortion造成誤觸發(fā)OCP保護機制。然而ESD表現較好的布局，如圖6，可以看到不僅Y cap到一次側會(huì )經(jīng)過(guò)獨立Trace回到Bulk capGND， 而另一個(gè)路徑則會(huì )經(jīng)過(guò)變壓器繞組耦合到一次側時(shí)，AUX繞組grounding則會(huì )先連接到Bulk cap GND，不會(huì )讓CS信號受到ESD injection能量產(chǎn)生distortion而造成誤觸發(fā)OCP保護機制。

簡(jiǎn)言之， 針對Combo IC控制器來(lái)操作兩個(gè)電源轉換器，PCB布局是電源轉換器可發(fā)揮高效能以及穩定操作的關(guān)鍵因素。遵循上述的接地建議，將有效減少一個(gè)轉換器的噪聲耦合其他轉換器的敏感控制訊號。

圖5 優(yōu)化前，輔助電源繞組的GND連接到PFC電流感測電阻的負端

圖6 優(yōu)化后，輔助電源繞組的GND連接到PFC bulk電容的負端

（本文來(lái)源于《EEPW》202406）