DC/DC降壓型電路的接地反彈

DC/DC降壓型電路在日常的電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到，這些電路的接地節(jié)點(diǎn)會(huì)聚快速變化的大電流。當(dāng)接地節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)遭受影響并且該系統(tǒng)會(huì)輻射電磁干擾(EMI)。但是如果很好地理解“接地“引起的接地噪聲的物理本質(zhì)可提供一種減小接地噪聲問題的直觀認(rèn)識(shí)。

在高頻時(shí)，一個(gè)大電容器——例如降壓型變換器輸入電容器，CVIN——可以看作一個(gè)DC電壓源。類似地，一個(gè)大電感器——例如降壓型變換器輸出電感器，LBUCK——也可以看作一個(gè)DC電流源。所做的這些近似有助于直觀理解。

圖2示出當(dāng)開關(guān)在兩個(gè)位置之間交替切換時(shí)磁通量如何變化。

大電感器LBUCK使輸出電流大約保持恒定。類似地，大電容器CVIN保持電壓大約等于VIN。由于輸入引線電感兩端的電壓不變，所以輸入電流也大約保持恒定。

盡管輸入電流和輸出電流基本不變，但當(dāng)開關(guān)從位置1切換到位置2時(shí)，總環(huán)路面積會(huì)迅速變?yōu)樵瓉淼囊话搿－h(huán)路面積的變化意味著磁通量的快速變化，從而沿著接地回路引起接地反彈。

實(shí)際上，降壓型變換器由一對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成，如圖3所示。

雖然每個(gè)圖中的復(fù)雜程度增加，但是通過磁通量變化引起接地反彈的分析方法仍然很簡(jiǎn)單和直觀。

事實(shí)上，磁通量的變化會(huì)沿著接地回路各處都產(chǎn)生電壓，這就帶來了一個(gè)有趣的問題：哪里是真正的地?因?yàn)榻拥胤磸椧馕吨鄬?duì)于稱作地的某個(gè)理想點(diǎn)(那一點(diǎn)需要定義)，在接地返回印制線上產(chǎn)生一個(gè)反彈電壓。

在電源穩(wěn)壓器電路中，真實(shí)的地應(yīng)該連接在負(fù)載的低壓端。畢竟，DC/DC變換器的目的是為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓和電流。電流回路上的其它所有點(diǎn)都不是真正的地，只是接地回路的一部份。

由于在負(fù)載的低壓端接地并且環(huán)路面積的變化是接地反彈的原因，圖4顯示了如何精心地放置CVIN通過減小環(huán)路面積變化的比率降低接地反彈。

電容器CVIN旁路PCB頂層的高端開關(guān)直接到達(dá)底層低端開關(guān)兩端，因此減小了環(huán)路面積的變化，將其與接地回路隔離。當(dāng)開關(guān)從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時(shí)，從VIN的底部到負(fù)載的底部，無環(huán)路面積變化或開關(guān)電流變化。因此接地回路沒有發(fā)生反彈。

實(shí)際上，PCB布線本身決定了電路的性能。圖5為圖3中降壓型變換器電路原理圖的PCB布線圖。當(dāng)開關(guān)處于狀態(tài)1所示的位置，高端開關(guān)閉合，DC電流沿著外圈紅色環(huán)路流動(dòng)。當(dāng)開關(guān)處于狀態(tài)2所示的位置，低端開關(guān)閉合，DC電流沿著藍(lán)色環(huán)路流動(dòng)。注意由于環(huán)路面積變化引起磁通量變化。因此產(chǎn)生電壓和接地反彈。

為了清晰起見，在單層PCB上實(shí)現(xiàn)布線，但即使使用第二層整塊接地平面也無法解決接地反彈問題。在展示改進(jìn)布線圖之前，圖6給出了一個(gè)簡(jiǎn)單例子說明地平面無法解決問題。

這里，我們采用雙層PCB以便在與頂層電源線垂直處附加一個(gè)旁路電容。在左邊的例子中，地平面是整體的并且未切割。頂層印制線電流通過電容器流過，穿過過孔，到達(dá)地平面。

因?yàn)榻涣?AC)電總是沿著最小阻抗路徑流動(dòng)，接地返回電流繞著其路徑拐角返回電源。所以當(dāng)電流的幅度或頻率發(fā)生變化時(shí)，電流的磁場(chǎng)及其環(huán)路面積發(fā)生變化，從而改變磁通量。電流沿最小阻抗路徑流動(dòng)的規(guī)律意味著，即使采用整體地平面也會(huì)發(fā)生接地反彈——與其導(dǎo)通性無關(guān)。

在右邊的例子中，一個(gè)經(jīng)過合理規(guī)劃切割的地平面會(huì)限制返回電流以使環(huán)路面積最小，從而大大減小接地反彈。在切割返回線路內(nèi)產(chǎn)生的任何剩余接地反彈電壓與通用地平面隔離。

圖7中的PCB布線利用圖6中示出的原理減小了接地反彈。采用雙層PCB板以便將輸入電容器和兩個(gè)開關(guān)安排在地平面的孤島上。

這種布線不必最好，但它工作很好，而且能夠說明關(guān)鍵問題。應(yīng)該注意紅色電流(狀態(tài)1)和藍(lán)色電流(狀態(tài)2)包圍的環(huán)路面積很大，但兩個(gè)環(huán)路面積之差很小。環(huán)路面積變換很小意味著磁通量的變化小——即接地反彈小。(然而，一般情況下，也要保證環(huán)路面積小——圖7只是為了說明AC電流路徑匹配的重要性。)

另外，在磁場(chǎng)和環(huán)路面積發(fā)生變化的接地回路孤島內(nèi)，沿著任何接地回路引起的接地反彈都受接地切割限制。

此外，可能第一眼看上去，輸入電容器CVIN好像沒有位于圖4中所示的頂層高端開關(guān)和低層低端開關(guān)之間，但進(jìn)一步觀察才會(huì)發(fā)現(xiàn)是這樣。盡管物理鄰近可以很好，但真正起作用的是通過最小化環(huán)路面積實(shí)現(xiàn)的電子接近。