本期專家：杜佐兵
電磁兼容（EMC）線上&線下高級(jí)講師
杜佐兵老師在電子行業(yè)從業(yè)近20年，是國家電工委員會(huì)高級(jí)注冊(cè)EMC工程師，武漢大學(xué)光電工程學(xué)院、光電子半導(dǎo)體激光技術(shù)專家。目前專注于電子產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)、開關(guān)電源及LED背光驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。
01
前言
我們電子產(chǎn)品往往60%以上-可靠性方面的問題都出現(xiàn)在電子線路板的PCB設(shè)計(jì)上；工作及性能良好的PCB需要相關(guān)的理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；我在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)踐中經(jīng)常碰到各種各樣的問題；比如電子線路板不能通過系統(tǒng)EMS的測試標(biāo)準(zhǔn)，測試關(guān)鍵器件IC的功能引腳時(shí)出現(xiàn)高頻噪聲的問題，電路功能IC引腳檢測到干擾噪聲進(jìn)行異常保護(hù)等等。通過不斷的理論與實(shí)踐結(jié)合；用實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)我們的理論和實(shí)踐的差異點(diǎn)！優(yōu)良的設(shè)計(jì)跟長期的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)是密不可分的?。?/p>
我分享一下開關(guān)電源與IC控制器PCB設(shè)計(jì)思路給電子設(shè)計(jì)愛好者參考。
02
開關(guān)電源通過以下的原理示意圖分享設(shè)計(jì)總體原則
圖示為我們常用的兩種開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
A.開關(guān)電源拓?fù)渲麟娏骰亓髀窂矫娣e最小化；驅(qū)動(dòng)脈沖電流回路最小化。
B.對(duì)于隔離開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電流回路被變壓器隔離成兩個(gè)或多個(gè)回路（原邊和副邊），電流回路要分開最小回流面積布局布線設(shè)計(jì)。
C.如果電流回路有多個(gè)接地點(diǎn)，那么接地點(diǎn)要與中心接地點(diǎn)重合。
D.實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，我們會(huì)受到條件的限制；如果2個(gè)回路的電容可能不好近距離的共地！
設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)：我們就要采用電氣并聯(lián)的方式就近增加一個(gè)高頻電容達(dá)成共地（如圖紅色虛線）！
03
開關(guān)電源-IC控制器與主回路系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)思路
如下圖為-開關(guān)電源的輔助電源給IC控制器供電，IC控制器控制LED的負(fù)載并進(jìn)行調(diào)光及其它功能的控制應(yīng)用。 其控制器的供電及驅(qū)動(dòng)回路的設(shè)計(jì)會(huì)影響系統(tǒng)的功能及可靠性。
通過圖示IC控制器-PCB布局布線的設(shè)計(jì)思路如下：
A1.IC周邊器件的地走線優(yōu)先布局布線后連接到IC-gnd；
A2.IC-gnd再連接到濾波電容C1（高頻電容-低容值）的接地端，此地可能與電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的GND拉開距離；即與圖示中并聯(lián)的電解電容En；
A3.IC-控制中心的gnd要單點(diǎn)接地！IC-gnd單獨(dú)連接到C1電容的地端關(guān)鍵環(huán)路；
B.主電源回路路徑的最小化設(shè)計(jì)原則；
C.拓?fù)潆娏骰芈仿窂阶钚』O(shè)計(jì)原則；
D.脈沖驅(qū)動(dòng)回路路徑最小化設(shè)計(jì)原則。
注意條件受限時(shí)：電源的主回路與拓?fù)浠芈返碾娙菘赡懿还驳?，我們可以采用電氣并?lián)的方式就近增加一個(gè)高頻電容達(dá)成共地！
04
我以具體BOOST的LED驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的PCB布局布線進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)分析
設(shè)計(jì)基本思路如上所述；用下圖進(jìn)行細(xì)節(jié)分析:
B1.IC周邊器件的地走線優(yōu)先布局布線后連接到IC-gnd；
B2.IC-gnd再連接到濾波電容C1（高頻電容-低容值）的接地端，此地可能與電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的GND拉開距離；即與圖示中并聯(lián)的電解電容En；
B3.IC-控制中心的gnd要單點(diǎn)接地！IC-gnd單獨(dú)連接到C1電容的地端再連接出去。
設(shè)計(jì)機(jī)理分析：
圖中的供電電源的Iv可能會(huì)較大（跟負(fù)載有關(guān)）
注意1：在圖中Iv的電流方向跟驅(qū)動(dòng)電路Ig的電流方向正好相反（它是C1/En的輸入電流）；在圖示中如果其接地點(diǎn)不先連接到gnd,而是先連到GND，將會(huì)在GND-gnd連接線上形成Iv電流回路，使Ig上疊加Iv會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)被干擾的情況。
注意2：在圖中的IC控制器驅(qū)動(dòng)MOS器件后均會(huì)有采用反饋電路-同時(shí)有設(shè)計(jì)RC電路參數(shù)到IC引腳；參考電路如下：FB1/FB2與CS1/CS2為采樣反饋電路到IC；通常由于PCB布局的原因走線較長時(shí)其引腳的高頻濾波電容就變得非常重要；實(shí)戰(zhàn)原理圖&PCB如下：
IC控制器相關(guān)的PCB設(shè)計(jì)參考如下圖：我們采用高亮地走線的方法進(jìn)行分析：
按照IC控制器-PCB布局布線的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行檢查；
C1.IC周邊器件的地走線優(yōu)先布局布線后連接到IC-GND/基本OK;
C2.IC-GND再連接到濾波電容C1（高頻電容-低容值）的接地端，此地可能與電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的GND拉開距離；即與圖示中并聯(lián)的電解電容En/ OK;
C3.IC-控制中心的gnd要單點(diǎn)接地/ OK
C4.用示波器用20MHZ帶寬再來測量 關(guān)鍵信號(hào)IC-驅(qū)動(dòng)DRV 及IC-采樣FB1/FB2/CS1/CS2的噪聲電壓情況；在上圖中測試時(shí)發(fā)現(xiàn)FB2引腳 存在小的噪聲電壓 而FB1基本沒有噪聲電壓。
C5.檢查PCB中FB1 與FB2為同功能引腳在IC的同一側(cè)其GND沒有直接向連接，F(xiàn)B2通過長的跳線J27回到IC-GND同時(shí)IC-GND引腳緊鄰的是IC-DRV引腳。
進(jìn)行如下PCB優(yōu)化：
將上圖中的FB2-GND走線與FB1-GND走線直接連接；同時(shí)斷開J27連接線；再進(jìn)行噪聲電壓測試；系統(tǒng)關(guān)鍵引腳均測試不到噪聲電壓波形數(shù)據(jù)，系統(tǒng)有最佳的PCB性能及更高的可靠性設(shè)計(jì)！
實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：
A. 可能存在多種原因，IC供電電源有多種應(yīng)用功能連接。注意：到驅(qū)動(dòng)IC電路的濾波電容C1-正端的輸入輸出及連接地都需要分開走線；其它電路單元的電流一般比較弱，如果連接到其它地方 則會(huì)使GND-連線上較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)Ig脈沖電流疊加到自己的地線上；控制電路也會(huì)被驅(qū)動(dòng)干擾到！因此IC其它各個(gè)電路的地線無論怎么繞均應(yīng)分別走線到gnd單點(diǎn)接地！否則除了上述原因強(qiáng)電流回路串進(jìn)自己的地線形成干擾外，還可能通過共用的地線相互干擾！
B. IC控制的GND要避免形成環(huán)路；IC同側(cè)引腳的相同功能引腳的GND走線要連接在一起連接到IC-GND；盡量避免布置長跳線的GND走線;IC-控制中心的gnd要單點(diǎn)接地。
C.電子線路板EMS的問題與PCB的地走線，地回路，接地的位置及接地點(diǎn)方式有關(guān)！
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