PCB電源知多少 - 開關(guān)電源簡介【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-05-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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(zhuǎn)換模塊也就不外乎開關(guān)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(zhuǎn)換,或者其他相對偏門的POE電源,都不在本次的規(guī)劃之內(nèi)了。

1開關(guān)電源簡介

首先介紹的是開關(guān)電源。說到開關(guān)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(yīng)的就是降壓開關(guān)電路和升壓開關(guān)電路。再用更接地氣的說法來講,就是串聯(lián)開關(guān)電路和并聯(lián)開關(guān)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:

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圖1 串聯(lián)開關(guān)電路圖 2并聯(lián)開關(guān)電路

開關(guān)電源顧名思義就是通過控制晶體管的導(dǎo)通截止來轉(zhuǎn)換電壓,由于部分時間工作在截止?fàn)顟B(tài),功耗比較小,發(fā)熱也比較小。所以相較與線性電源模塊而言,效率比較高,發(fā)熱也沒有那么厲害。

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圖3 開關(guān)接通狀態(tài) 圖4 開關(guān)截至狀態(tài)

開關(guān)電源的工作原理其實比較簡單:當(dāng)晶體管基極為高電平時,晶體管飽和導(dǎo)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(dāng)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(diào)節(jié)基極控制電壓的占空比,來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。同時,由于負(fù)載和晶體管串聯(lián),輸出電壓小于輸入電壓,所以又叫降壓開關(guān)電路(buck開關(guān)電路)。對應(yīng)的并聯(lián)開關(guān)電路原理相似,同時由于晶體管并聯(lián),電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與電壓相疊加后作用于負(fù)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(guān)電路在PCB中主要包涵輸入濾波,開關(guān)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(guān)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(diǎn)關(guān)注的部分為采樣電路和反饋電路。

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濾波電路對于開關(guān)電源是很重要的,因為模塊本身電源轉(zhuǎn)換時通過晶體管的開關(guān)來控制的,那么開關(guān)的過程中就會產(chǎn)生尖峰脈沖干擾。輸入濾波一般應(yīng)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(nèi)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(wěn)的直流穩(wěn)壓電源。而輸出部分的大容值電容則是用于給負(fù)載提供平穩(wěn)的直流電源。在負(fù)載電阻發(fā)生變化時,由于開關(guān)電路需要通過采樣、反饋,調(diào)節(jié)占空比的方式來調(diào)整輸出電壓,不能隨時調(diào)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(guān)電路的梳理就自然變得清晰明了,開關(guān)電源模塊的布局布線處理就會手到擒來。