PCB電源知多少 - 開關電源簡介【轉發】

2017-05-15 by:CAE仿真在線來源:互聯網

對硬件工程師而言,電源是不可避免的,甚至是整個板子最重要的模塊。不同的PCB,各種各樣五花八門的電源模塊,做過的見過的也不少,但總的歸類來講,一般的DCDC電源轉換模塊也就不外乎開關電源模塊和線性電源模塊兩種,其他的變化總是萬變不離其宗。

后面幾篇文章就主要介紹一下這兩種電源模塊的原理和layout注意事項。至于AC-DC轉換,或者其他相對偏門的POE電源,都不在本次的規劃之內了。

1開關電源簡介

首先介紹的是開關電源。說到開關電源就不能不提到兩個單詞buck和boost。感覺不管什么詞,只要變成英文就顯得特別高大上,其實這個對應的就是降壓開關電路和升壓開關電路。再用更接地氣的說法來講,就是串聯開關電路和并聯開關電路。一下子就把層次拉到熟悉的初中物理知識了,簡化電路如下圖所示:

圖1 串聯開關電路圖 2并聯開關電路

開關電源顧名思義就是通過控制晶體管的導通截止來轉換電壓,由于部分時間工作在截止狀態,功耗比較小,發熱也比較小。所以相較與線性電源模塊而言,效率比較高,發熱也沒有那么厲害。

圖3 開關接通狀態圖4 開關截至狀態

開關電源的工作原理其實比較簡單:當晶體管基極為高電平時,晶體管飽和導通,等效電路如圖3所示,此時電感L儲存能量,電容C充電。當晶體管基極為低電平時,晶體管截止,等效電路如圖4所示,此時電感L釋放能量,電容C放電。通常我們的PCB板上還有采樣電路,反饋電路,以此來調節基極控制電壓的占空比,來達到穩壓的目的。同時,由于負載和晶體管串聯,輸出電壓小于輸入電壓,所以又叫降壓開關電路(buck開關電路)。對應的并聯開關電路原理相似,同時由于晶體管并聯,電感產生的感應電動勢與電壓相疊加后作用于負載,所以輸出電壓會高于輸入電壓。

實際的電路圖一般如下圖所示:一般開關電路在PCB中主要包涵輸入濾波,開關電路,控制電路,輸出濾波四個主要部分,其中紅色框是主電流通道,包含輸入濾波,開關電路,輸出濾波三個重要的部分,其余部分為控制電路,其中需要重點關注的部分為采樣電路和反饋電路。

濾波電路對于開關電源是很重要的,因為模塊本身電源轉換時通過晶體管的開關來控制的,那么開關的過程中就會產生尖峰脈沖干擾。輸入濾波一般應該包括大容值電容和小容值電容,小容值電容靠近晶體管放置,能給晶體管內部高頻電流提供到地的回路。大容值的電容則能給晶體管輸入平穩的直流穩壓電源。而輸出部分的大容值電容則是用于給負載提供平穩的直流電源。在負載電阻發生變化時,由于開關電路需要通過采樣、反饋,調節占空比的方式來調整輸出電壓,不能隨時調整,所以需要一個大容值電容充放電來緩沖。

了解其原理后,對于開關電路的梳理就自然變得清晰明了,開關電源模塊的布局布線處理就會手到擒來。