1、DC-DC电源PCB设计指南袁渊2002年8月7日目录1、布线规则32、EMC设计63、散热设计94、安全性设计105、电容的选取11附录（一）UCC3882应用示例18附录（二）TPS5103应用示例19附录（三）LT1765应用示例21附录（四）LT1959应用示例22附录（五）参考资料22DC-DC电源是开关电源的一种，与线性电源相比，其调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高，但开关电源输出的直流上会叠加较大的纹波，且开关管工作时会产生较大的尖峰脉冲干扰，可加稳压二极管和磁珠来改善。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一
2、是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。1、布线规则总结各生产厂家产品的datasheet可得Layout的一般规则为：1.1至少采用四层板； 由于DC-DC中的高频及大电流的信号易对其它信号产生干扰，而它的敏感信号如sense信号则易受到外界的干扰，那么有一个良好的吸收地平面是必需的，这就要求四层以上的PCB板。 另外在LT1765的资料中提到在芯片下建一层地层，可使芯片的热阻降至最低。1.2信号地和电源地分成两块并用一个通道相连,元器件直接与信号地单点或星型连接； 在各芯片的datasheet中地一般被分为信号地（signal gr
3、ound）和电源地（power ground），特别的在MAX1652芯片中将地分成了输入地、电源地（在内层）、正常地和输出地，并输入地、电源地（在内层）、正常地与输出地汇合在一点上。种种的这些措施无非是给各个不同的信号提供一个纯净的回流路径以及隔绝不同信号之间的相互干扰。1.3各芯片pin的bypass电容要尽可能近的放置在相关pin附近； 这样可以缩短芯片pin与相关电容的连线长度，以降低辐射和噪声。1.4 信号之间的连线要尽可能的粗、短；1.4.1在FN4998中建议芯片要在MOSFET周围3inchs内，且它们之间的连线要能承受高达1A的电流，那么根据图（1）所示的导线温升和导线宽度、
4、电流的关系图，得知在1盎司厚的导线、1A的电流状况下，要想保证导线有最低的温升（10摄氏度），导线的宽度至少为20mil；图（1）导线温升和导线宽度、负载电流的关系（导线厚度为1盎司）1.4.2 在MAX1626中建议电流感应电阻（current sense resistor）与芯片的连线长度要控制在0.2inchs之内；1.4.3 在MAX1627中建议电压反馈电阻与芯片的FB管脚之间不超过0.2inchs，且该电阻不能靠近输出端；bypass电容与相关pin之距不得超过0.2inchs，另一端直接接地；1.4.4 在MAX1652种建议芯片与电流感应电阻之间的距离不得超过10mm，门驱动信
5、号（如BOOST信号）的线长不得超过20mm。1.5 SENSE、反馈信号要远离一些大电流、高频的信号，如BOOST、SW、TG等。以LT1765为例，图（2）指出了高频回路；图（2）高频回路示例 一般元器件在制作时就会注意到将易受影响的pin和那些大电流、高频的pin各分在芯片的两旁，若芯片自身不能满足则需要在制作PCB时加强注意，将这些元器件分开放置并将走线远离。例如原理如图（3）所示，则元器件的分布和走线如图（4）所示，由此可看出sense信号离图（2）示的高频信号的回路就很远，这样可大大的减少高频信号对敏感信号的干扰。图（2）原理应用举例图（3）PCB应用举例（从顶部看）1.6 尽量将
6、相关元器件都放置在顶层；1.7 在芯片正下部划分一块地铜皮或建一个大焊盘，以达到良好的散热效果。2、EMC设计开关电源因采用脉冲宽度调制(PWM)技术，其脉冲波形呈矩形，上升沿与下降沿均包含大量的谐波成分，另外输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰(EMI)，这是影响可靠性的不利因素，因而使电磁兼容性成为系统的重要问题。对于开关电源而言，主要是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路与输出整流电路。解决办法之一是加装电源EMI滤波器、输出滤波器及吸收电路，电源EMI滤波器实际上是一种低通滤波器，它毫无衰减地把50Hz或400Hz交流电能传递给电子设备，却大大衰减传入的干扰信号，同时又能抑制设备本身产生的
7、干扰信号，防止它窜入电网，危害公网其它设备。选择EMI滤波器是根据插入损耗的大小来选择滤波器网络结构和元器件参数，根据实际要求选择额定电压、额定电流、漏电流、绝缘电阻、温度条件等参数。电源EMI滤波器最好安装在机壳电源线进口的插座附近。对于辐射干扰主要应用密封屏蔽技术，在结构上实行电磁封闭，要求外壳各部分之间具有良好的电磁接触，以保证电磁的连续性。目前为减少重量大都采用铝合金外壳，但铝合金导磁性能差，因而外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆，内壁贴覆高导磁率的屏蔽材料。外壳永久连接处用导电胶粘牢或采用连续焊缝结构，需拆卸的可以用导电橡胶条压紧来保证电磁连续性。导电材料要求导电性能高、有弹性、具有最小的
8、宽厚比。 抑制输出噪声的对策基本上按10kHz150kHz、150kHz10MHz、10MHz以上三个频段来解决。10kHz150kHz范围内主要是常态噪声，一般采用通用LC滤波器来解决。150kHz10MHz范围内主要是共模成分的噪声，通常采用共模抑制滤波器来解决。共模扼流圈要采用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料，电感量在（12）mH、电容量在3300pF4700pF之间，如果控制低频段的噪声，可以适当加大LC的取值。在10MHz以上频率段的对策是改进滤波器的外形。输出整流二极管的反向恢复也会引起电磁干扰，这种情况可以采用RC吸收电路来抑制电流的上升率，通常R在(220)之间，C在10
9、00pF10nF之间，C应选用高频瓷介电容。良好的布局和布线技术也是控制噪声的一个重要手段。为减少噪声的发生和防止由噪声导致的误动作，应注意以下几点：尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积。缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管。脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源和出口分离。控制电路和功率电路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引起天线作用，所以建议不要采用大面积接地方式。必要时可以将输出滤波电感安置在地回路上。采用多只低ESR（等效串联电阻）的电容并联滤波。采用铜箔进行低感低阻配线。相邻印制线之间不应有过长的平行线，走线尽量避免平行，采用垂直交叉方式，线宽不要突变，也不要突然拐角。禁
10、止环形走线。滤波器的输入和输出线必须分开。禁止将开关电源的输入线和输出线捆扎在一起。3、散热设计温度是影响设备可靠性最重要的因素，电源设备内部的温升将导致元器件的失效，当温度超过一定值时，失效率将呈指数规律增加，温度超过极限值时将导致元器件失效。国外统计资料表明电子元器件温度每升高2，可靠性下降10；温升50时的寿命只有温升25时的1/6，需要在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升。热设计的原则，一是减少发热量，即选用更优的控制方式和技术，如移相控制技术、同步整流技术等，另外就是选用低功耗的器件，减少发热器件的数目，加大加粗印制线的宽度，提高电源的效率。二是加强散热，即利用传导、辐射、对流技术
11、将热量转移，这包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法。 强迫风冷的散热量比自然冷却大十倍以上，但是要增加风机、风机电源、联锁装置等，这不仅使设备的成本和复杂性增加，而且使系统的可靠性下降，另外还增加了噪声和振动，因而在一般情况下应尽量采用自然冷却，而不采用风冷、液冷之类的冷却方式。在元器件布局时，应将发热器件安放在下风位置或在印制板的上部，散热器采用氧化发黑工艺处理，以提高辐射率，不允许用黑漆涂覆。喷涂三防漆后会影响散热效果，需要适当加大裕量。散热器安装器件的平面要求光滑平整，一般在接触面涂上硅脂以提高导热率。变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升
12、。 各芯片的散热措施要根据其datasheet上的具体计算。以LT1765 datasheet上的散热计算为例：重点在于确定芯片的功耗。可分为：直流功耗、交流功耗、增益回路电流引起的功耗、输入静态电流引起的功耗。每种功耗的计算如下（在连续工作的状态下, 不能用轻载时的值进行计算）：直流、交流功耗：PSW=RSW(IOUT)2(VOUT)/VIN+17ns(IOUT)( VIN)f当VBOOSTVOUT时，增益电流引起的功耗为：PBOOST=(VOUT)2(IOUT /50)/ VIN静态电流引起的功耗为：PQ= VIN(0.001)箝位二极管的功耗也不容忽视：PDIODE=VF(VIN - V
13、OUT)ILOAD/ VIN 其中：RSW 是开关电阻，取的是经验值；17ns是开关电流、电压的交叠时间；f是开关的频率; VF为二极管的压降；50为ISW / IBOOST1A/20mA；0.001为VIN Supply Current。这样计算芯片的节点温度为：Tj=TA+RJA(PSW + PBOOST + PQ)+Rj(DIODE) PDIODE其中Rj(DIODE) PDIODE是计算板材接受箝位二极管功耗产生的热量并对芯片造成影响，故Rj(DIODE)用板材的热阻值代替。这样计算所得的节点温度和datasheet上的相比较，若小于则不需加散热措施，大于则要加散热措施。4、安全性设计
14、 对于电源而言，安全性历来被确定为最重要的性能之一，不安全的产品不但不能完成规定的功能，而且还有可能发生严重事故，造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容主要是防止触电和烧伤。 对于商用设备市场，具有代表性的安全标准有UL、CSA、VDE等，内容因用途而异，容许泄漏电流在0.5mA5mA之间，我国军用标准GJB1412规定的泄漏电流小于5mA。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器电容Cy的容量，如图（4）所示。从EMI滤波器角度出发电容Cy的容量越大越好，但从安全性角度出发电容Cy的容量越小越好，电容Cy的容量根据安全标准来决定
15、。若电容Cx的安全性能欠佳，电网瞬态尖峰出现时可能被击穿，它的击穿虽然不危及人身安全，但会使滤波器丧失滤波功能。为了防止误触电，插头座原则上产品端(非电源端)为针，电网端(电源端)为孔；电源设备之输入端为针，输出端为孔。图（4）开关电源滤波器示意图 为了防止烧伤，对于可能与人体接触的暴露部件(散热器、机壳等)，当环境温度为25时，其最高温度不应超过60，面板和手动调节部分的最高温度不超过50。5、电容的选取为提供稳定的电源输出，DCDC模块中的电容选取至关重要，现以DC-DC中用到的电容种类进行概述。一般电源芯片的datasheet中都会有比较详细的电容等各器件选取的计算 ，具体计算以data
16、sheet为主。5.1滤波电容器交流电（工频或高频）经整流后需用电容器滤波使输出电压平滑，要求电容器容量大，一般多采用铝电解电容器。铝电解电容器应用时主要问题是温度与寿命关系，如廉价型环境温度多为85，可在1000h内保证各性能参数，特别是电容量，超过1000h，各项性能指标将得不到保证，尽管在很多情况下还能用。因此在很多要求高温和高可靠性场合下，应选用长寿命（如5000h以上，甚至105,5000h）电解电容器。一般体积小的电解电容器，其寿命相对较短。用于DC/DC开关稳压电源输入滤波电容器，因开关变换器是以脉冲形式向电源汲取电能，故滤波电容器中流过较大的高频电流，当电解电容器等效串联电阻（
17、ESR）较大时，将产生较大损耗，导致电解电容器发热。而低ESR电解电容器则可明显减小纹波（特别是高频纹波）电流产生的发热。用于开关稳压电源输出整流的电解电容器，要求其阻抗频率特性在300kHz甚至500kHz时仍不呈现上升趋势，见图（5），这时电解电容器ESR较低，能有效地滤除开关稳压电源中的高频纹波和尖峰电压。而普通电解电容器在100kHz后就开始呈现上升趋势(见图6)，用于开关电源输出整流滤波效果相对较差。在实验中发现，普通CDII型中4700F,16V电解电容器，用于开关电源输出滤波的纹波与尖峰并不比CD03HF型4700F,16V高频电解电容器的低，同时普通电解电容器温升相对较高。当负
18、载为突变情况时，用普通电解电容器的瞬态响应远不如高频电解电容器。图（5）高频电解电热器的阻抗频率特性图（6）普通电解电容器的阻抗频率特性由于铝电解电容器在高频段不能很好地发挥作用，应辅之以高频特性好的陶瓷或无感薄膜电容器，其主要优点是：高频特性好，ESR低，如MMK5型容量1F电容器，谐振频率达2MHz以上，等效阻抗小于0.02，远低于电解电容器，而且容量越小谐振频率越高（可达50MHz以上），见图（7），这样将得到很好的电源的输出频率响应或动态响应。 图（7）MMK5型电容器的阻抗频率特性5.2吸收与换相电容器随着栅控半导体器件的额定功率越做越大，开关速度越来越快，额定电压越来越高，对缓冲电
19、路的电容器仅仅要求足够的耐压、容量及优异的高频特性是不够的。 由电容器与电压充电时间的基本关系可知 如以1F、V/s计，则由式（1）可知其峰值电流将达A。即使较小的电容量如10nF，以V/s速率变化则峰值电流为100A。对于普通电容器，特别是普通金属化电容器的dv/dt100V/s，特殊金属化电容器的dv/dt200V/s，专用双金属化电容器小容量（小于10nF）的dv/dt1500V/s，较大容量（小于0.1F)的则为600V/s，在这种巨大且重复率很高的峰值电流冲击下是很难承受的。目前吸收电路专用电容器，即金属箔电极可承受较大的峰值电流和有效值电流冲击，如：较小容量(10nF以下)的可承受
20、100000V/s455000V/s的电压变化率、3700A峰值电流和达9A有效值电流(如CDV30FH822J03)；较大容量(大于10nF，小于0.47F)或较大尺寸的可承受大于3400V/s以及1000A峰值电流的冲击。尽管同是无感电容、金属化和金属箔电容，应用在吸收电路中将有不同的表现，外形相近但规格不同在这里是绝对不能互换的。电容器的尺寸将影响电容器的dv/dt及峰值电流的耐量，一般而言，长度越大则dv/dt和峰值电流则相对较小，以CDE公司WPP型电容为例，如表1所示。吸收电路中电容器的工作特点是高峰值电流占空比小，有效值电流不十分高，与这种电路相似的还有晶闸管逆变器的换相电容器，
21、尽管这种电容器要求的dv/dt较吸收电容器小，但峰值电流与有效值电流均较大，采用普通电容器在电流方面不能满足要求。在某些特殊应用中要求储能电容器反复急促放电，而且放电回路电阻极低、寄生电感很小，在这种场合下只能将吸收电容并联使用以保证长期使用的可靠性。5.3谐振电容器谐振式变换器，如谐振式开关稳压电源及晶闸管中频电源谐振回路中的谐振电容器，工作时往往流过很大电流。如并联谐振式晶闸管中频电源，流过谐振电容器的谐振电流为流过晶闸管电流的10倍甚至更高，因此必须选择专用电容器，方能满足要求。又如电子镇流器的谐振电容规格选择不当时，会出现电容上电压虽没达到击穿电压但由于流过较大的谐振电流而损坏的现象。
22、5.4耐压与寿命试验电容器的额定电压和击穿电压之间留有一个安全系数，如耐压为400V电解电容器，击穿电压不低于450V，而薄膜电容器的击穿电压为额定电压的1.5倍至2倍，因此不能说电容器达到额定电压就可能击穿。薄膜电容器的寿命试验是在其最高工作温度下，施加1.5倍额定电压，保证500h甚至1000h内不损坏。电解电容器的寿命试验是在最高工作温度及额定电压条件下，在额定寿命期内主要参数符合规定要求。电解电容器的寿命与电容器长期工作的环境温度有直接关系，温度越高，电容器的寿命越短。普通的电解电容器在环境温度为90时已经损坏，如：B41303,B43303等型号的电解电容器。但是现在有很多种类的电解
23、电容器的工作环境温度已经很高，如B43502在环境温度为90，通过电解电容器的交流电流和额定脉冲电流的比为0.5时，寿命仍然为10000h，但是如果温度上升到95时，电解电容器即已经损坏。因此，在选择电容器的时候，应该根据具体的环境温度和其他的参数指标来选定，如果忽略了环境温度对电容器寿命的影响，那么电源工作的可靠性、稳定性将大大降低，甚至损坏设备和仪器。就一般情况而言，电解电容器工作在环境温度为80时，一般能达到10000h寿命的要求。另一方面，电解电容器的寿命还与电容器长时间工作的交流电流与额定脉冲电流（一般是指在85的环境温度下测试值，但是有一些耐高温的电解电容器是在125时测试的数据）
24、的比值有关。一般说来，这个比值越大，电解电容器的寿命越短，当流过电解电容器的电流为额定电流的3.8倍时，电解电容器一般都已经损坏。所以，电解电容器有它的安全工作区，对于一般应用，当交流电流与额定脉冲电流的比值在3.0倍以下时，对于寿命的要求已经满足。环境温度和交流电流对电解电容器的影响如图（8）所示。图（8）环境温度、交流电流对电容器寿命的影响综上所述，不同应用场合需要不同性能的电容器，不能混用、滥用、错用，以尽可能消除不应出现的损坏，并保证产品性能。附录（一）UCC3882应用示例附录（二）TPS5103应用示例 附录（三）LT1765应用示例 附录（四）LT1959应用示例附录（五）参考资料1、 LTC1624、LTC1709、LTC1735fa、LTC17065f、ADP1147、AP3020、CS5422、CS51312、FN4243、FN4306、FN4998、LM2642、LM2678、LM3477、MAX1626-1627、MAX1652-1655MAX1966-1967、tps5103、UCC3882各个芯片的datasheet；2、 http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/
