電力電子電路PCB布線(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)研究
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1引言
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/231258.htm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。
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。
4PCB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吋的銅走線(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吋的銅走線(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。
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作者簡(jiǎn)介
周月旭(1989-)，男，漢族，山東壽光人，山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)2008級01班學(xué)生。
顧澤林(1989-)，男，漢族，山東即墨人，山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)2008級01班學(xué)生。
張厚升（1976-），男，漢族，山東沂南人，副教授，研究方向為電氣自動(dòng)化、電力電子與電力傳動(dòng)。張厚升為通訊作者?！?/p>
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