理清“功率流”和“信息流”

我們剛開(kāi)始接觸開(kāi)關(guān)電源的時(shí)候覺(jué)得復雜，是因為沒(méi)有理清楚“功率流”和“信息流”。

在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，我們確實(shí)需要明確區分功率路徑和信息路徑。功率路徑是指電能在系統中的傳輸路徑，包括電源、開(kāi)關(guān)管、功率電感、負載、導線(xiàn)和其他電氣元件。它負責提供足夠的電能，以保證設備的正常運行。信息路徑則是指用于傳輸控制信號、反饋信號或其他信息的路徑，如控制電路中的電壓反饋、電流反饋等。

“功率流”的設計要點(diǎn)：

1. 減小“串阻”：

• 我們是通過(guò)開(kāi)關(guān)管、電感、電容，通過(guò)開(kāi)關(guān)的過(guò)程，重新分配了能量的儲存和輸出的過(guò)程，使得開(kāi)關(guān)電流能夠提供穩定的電壓，和持續的電流。

• 這些功率器件，我們希望他們在參與電壓轉換的過(guò)程中，減小能量的不必要損失。此時(shí)，我們就需要減小MOSFET的Rds（on），電感的DCR，電容的ESR，PCB走線(xiàn)的等效串阻，這些都是不必要的串阻。這些串阻在工作過(guò)程中，都會(huì )產(chǎn)生“無(wú)用功”。

  
  

1. 優(yōu)化功率器件的布局和散熱：

• 布局設計：功率器件如MOSFET、電感和電容的布局非常關(guān)鍵。它們之間的距離應盡量縮短，以減小寄生電感和寄生電容，從而減少開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）和功率損耗。此外，功率路徑上的走線(xiàn)應盡可能寬，以降低電流通過(guò)時(shí)的壓降和發(fā)熱。

  
  

• 散熱設計：開(kāi)關(guān)電源中功率器件的損耗會(huì )以熱量形式散發(fā)，過(guò)高的溫度會(huì )影響電路的可靠性和壽命。設計時(shí)應考慮散熱片、銅箔面積、熱導材料，以及合理布置散熱通道，以保證器件在安全溫度范圍內工作。

  
  

• 控制開(kāi)關(guān)頻率與效率的平衡：

• 開(kāi)關(guān)頻率選擇：開(kāi)關(guān)頻率越高，轉換器體積可以做得越小，但也會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗和EMI。降低開(kāi)關(guān)頻率可以減少開(kāi)關(guān)損耗，但會(huì )導致電感和電容的體積增大。選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率以平衡效率、體積和EMI是設計中的一個(gè)重要權衡點(diǎn)。

• 開(kāi)關(guān)損耗控制：開(kāi)關(guān)過(guò)程中，MOSFET在開(kāi)啟和關(guān)斷瞬間的損耗（如電壓和電流重疊時(shí)產(chǎn)生的損耗）會(huì )顯著(zhù)影響整體效率。通過(guò)優(yōu)化驅動(dòng)電路的設計，如調整門(mén)極電阻值或使用合適的驅動(dòng)電路，可以減少開(kāi)關(guān)損耗。

  
  

• 管理電磁干擾（EMI）：

• 濾波電路：在功率流設計中，EMI是不可避免的問(wèn)題。通過(guò)合理設計輸入輸出濾波器、增加屏蔽層、優(yōu)化走線(xiàn)布局，可以有效降低EMI。高頻開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲可以通過(guò)濾波電路和屏蔽措施進(jìn)行抑制。

• 減少電磁輻射：設計中應盡量減少高速開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的面積，因為它們容易成為電磁輻射的源頭。對于高速電流路徑，采用微帶線(xiàn)或共面波導等設計來(lái)控制阻抗也有助于減小輻射。

  
  

• 電流環(huán)路的優(yōu)化：

• 最小化電流環(huán)路面積：開(kāi)關(guān)電源中的高頻電流環(huán)路，如開(kāi)關(guān)節點(diǎn)到電感的路徑，應盡量短且環(huán)路面積最小。這不僅有助于減少EMI，還能降低環(huán)路的寄生電感和電阻，減少功率損耗。

  例如輸入電容靠近電源控制器的Vin和GND的輸入端，使得整個(gè)大電流跳變的電流環(huán)足夠小。

  
  

• 

• 回路設計：確保功率地和信號地的分離，并在單點(diǎn)接地，以避免地環(huán)路干擾和電流回路引起的壓降。這些壓降會(huì )影響控制電路的精確度和穩定性。

  
  

• 保證通流能力：

• 這是最容易做到，往往也是最容易被忽略的。正常走線(xiàn)，大家都會(huì )計算線(xiàn)寬跟通流的關(guān)系，但是有時(shí)銅皮會(huì )被過(guò)孔打碎。

  
  

• 換層的時(shí)候注意過(guò)孔的數量要滿(mǎn)足通流且留有余量。

  
  

通過(guò)合理規劃和設計這些要點(diǎn)，能夠有效提高開(kāi)關(guān)電源的效率、可靠性和穩定性，減少損耗并改善整體性能。

功率流本質(zhì)是傳輸能量，一般都是大電流、大電流跳變、大電壓跳變等，本身強壯，但是具備破壞力；而信息流一般是小電流，容易被干擾。兩者關(guān)系如下圖，我們的設計要“抑制強者，保護弱者！”



所以信息流的設計，我們需要避開(kāi)干擾源，環(huán)路要小，通過(guò)走差分線(xiàn)抑制干擾。

電壓反饋



電流反饋電路




環(huán)路補償部分



信息流的設計要點(diǎn)：

1. 避開(kāi)干擾源：

• 遠離功率路徑：信息路徑應盡量遠離高功率電流路徑，以避免電磁干擾（EMI）和電場(chǎng)、磁場(chǎng)的耦合干擾。例如，信號線(xiàn)應與高頻、高電流的功率線(xiàn)保持足夠的距離或使用屏蔽層進(jìn)行隔離。

• 使用低噪聲地：在布局中，信號路徑應連接到一個(gè)低噪聲的地平面，而不是直接與功率地相連。這樣可以減少信號路徑中的噪聲干擾。

• 最小化環(huán)路面積：

• 閉環(huán)設計：信號回路的面積應盡量小，以減少寄生電感和電磁輻射。特別是在高速信號傳輸中，環(huán)路面積越小，抗干擾能力越強。例如，在控制電路中的反饋信號和驅動(dòng)信號應通過(guò)盡可能短的路徑返回到控制器。

• 緊密布局：對于敏感信號，布線(xiàn)應盡量靠近參考地，或者在布線(xiàn)的上下層設置完整的地平面，以減少回流路徑的電感。

  
  

• 使用差分信號：

• 差分線(xiàn)設計：對于關(guān)鍵的高速或噪聲敏感信號，使用差分對布線(xiàn)能夠有效抑制干擾。差分信號對的兩個(gè)線(xiàn)跡應盡量保持等長(cháng)、等間距，并且在同一層布線(xiàn)，以確保信號的完整性和抗干擾能力。

• 抑制共模噪聲：差分信號的設計還可以減少共模噪聲的影響，通過(guò)差分信號的自抵消特性來(lái)抑制外界的干擾。

  
  

• 信號線(xiàn)的屏蔽和濾波：

• 屏蔽措施：對于極其重要的信號，如控制信號或反饋信號，可以使用屏蔽線(xiàn)纜或屏蔽層來(lái)防止外部干擾進(jìn)入信號路徑。這種設計在電磁環(huán)境較為復雜的情況下尤為重要。

• 濾波電路：在信號路徑中添加濾波器，如RC濾波器或鐵氧體磁珠，以抑制高頻噪聲。這對于降低EMI和改善信號完整性非常有效。

• 適當的接地設計：

• 單點(diǎn)接地：信號地和功率地應在系統中的單一點(diǎn)進(jìn)行連接，以避免地環(huán)路引起的干擾和信號偏移。單點(diǎn)接地可以減少地電流在信號路徑中的不良影響。

• 分離敏感信號地和功率地：敏感信號（如反饋信號）的地平面應與功率地隔離，避免功率器件開(kāi)關(guān)時(shí)的大電流引入干擾。