我们电子产品往往60%以上-可靠性方面的问题都出现在电子线路板的PCB设计上;工作及性能良好的PCB需要相关的理论及实践经验;我在产品的设计实践中经常碰到各种各样的问题;比如电子线路板不能通过系统EMS的测试标准,测试关键器件IC的功能引脚时出现高频噪声的问题,电路功能IC引脚检测到干扰噪声进行异常保护等等。
通过理论与实践结合;用测试数据检验我们的理论和实践的差异点!优良的设计跟长期的经验总结是密不可分的!
1．开关电源通过以下的原理示意图分享设计总体原则
图示为我们常用的两种开关电源的拓扑结构;
A．开关电源拓扑主电流回流路径面积最小化;驱动脉冲电流回路最小化。
B．对于隔离开关电源拓扑结构,电流回路被变压器隔离成两个或多个回路(原边和副边),电流回路要分开最小回流面积布局布线设计。
C．如果电流回路有多个接地点,那么接地点要与中心接地点重合。
D．实际设计时,我们会受到条件的限制;如果2个回路的电容可能不好近距离的共地!
设计的关键点:
我们就要采用电气并联的方式就近增加一个高频电容达成共地(如图红色虚线)!
2．对于非隔离的IC控制器与主功率回路系统的PCB设计思路
如下图为-非隔离的电源给IC控制器供电,IC控制器控制LED的负载并进行调光及其它功能的控制应用。其控制器的供电及驱动回路的设计会影响系统的功能及可靠性。
通过图示IC控制器-PCB布局布线的设计思路如下:
A1．IC周边器件的地走线优先布局布线后连接到IC-gnd;
A2．IC-gnd再连接到滤波电容C1(高频电容-低容值)的接地端,如果是非隔离系统;存在主电源系统进行动态工作时,此地不再进行12V非隔离电源地连接。
A3．IC-控制中心的gnd要单点接地!C1电容靠近IC-gnd引脚,引脚地与C1电容-gnd最短连接。
关键环路
B．主电源回路路径的最小化设计原则
C．拓扑电流回路路径最小化设计原则
D．脉冲驱动回路路径最小化设计原则
注意条件受限时:电源的主回路与拓扑回路的电容可能不共地,我们可以采用电气并联的方式就近增加一个高频电容达成共地!
3．具体BOOST的LED驱动架构的PCB布局布线进行具体分析
设计基本思路如上所述;用下图进行设计分析
在图示中:黄色跳线(JX)有与12V回路地进行最小化环路面积的理论设计。
PCB蓝色高亮部分为系统GND走线,白色高亮部分为12V-IC供电电源正端走线。
通过实际的数据测试验证黄色跳线(JX)连接线接地对系统的影响:
测试条件:12V-6A 115V/600mA (灯条)
测试项目:12V负载动态负载时间间隔500ms max load/minimum load6．6A/0．2A
示波器设置
CH1:12V(偏置10V) CH3:115V(偏置100V) CH4:ILED(偏置500mA)
黄色跳线(JX)在回路中:
黄色跳线(JX)去除
通过优化环路响应,增加动态响应速度。
黄色跳线(JX)的系统回路影响:
由于12V同时给控制IC提供VDD,在进行差分信号走线时12V与GND布线时即电源与地的回流面积最小;当12V拉负载时,12V电解电容正到地回流;当12V负载电流增加时地走线阻抗不等于0,这时在公共地阻抗上就会产生电压差,导致地基准位的变化。
去掉黄色跳线(JX)后,控制回路变成单点接地。此时地电位基准的影响就不受多个回路电流的影响。在非隔离的系统中单点接地符合设计理论。
设计经验总结:
可能存在多种原因,IC供电电源有多种应用功能连接。
A．对于隔离的控制器IC电路提供VDD,在进行差分信号走线时12V与GND布线时即电源与地的回流面积最小;
B．对于非隔离IC控制的GND要避免形成环路;IC同侧引脚的相同功能引脚的GND走线要连接在一起到IC-GND;IC-控制中心的gnd要求单点接地。
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杜佐兵
电磁兼容(EMC)线上&线下高级讲师
杜佐兵老师在电子行业从业近20年,是国家电工委员会高级注册EMC工程师,武汉大学光电工程学院、光电子半导体激光技术专家。目前专注于电子产品的电磁兼容设计、开关电源及LED背光驱动设计。
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