电力电子电路PCB布线的关键技术研究

1引言

一台性能优良的电力电子变换器，除选择高质量的元器件、合理的电路外，印刷线路板的组件布局和电气联机方向的正确结构设计是决定开关变换器能否可靠工作的一个关键问题。对同一种组件和参数的电路，由于组件布局设计和电气联机方向的不同会产生不同的结果，其结果可能存在很大的差异。因而，必须把如何正确设计印刷线路板组件布局的结构和正确选择布线方向及整体仪器的工艺结构三方面联合起来考虑。合理的工艺结构，既可消除因布线不当而产生的噪声干扰，同时便于生产中的安装、调试与检修等。

文献^[1]从抗干扰的角度介绍了印刷电路板基板材料的选择、表面的处理、布线、抗干扰设计等。文献^[2]详细讨论了开关电源PCB排版的基本要点，并描述了一些实用的PCB排版例子。文献^[3]提出了在PCB板电路设计中的工艺设计和抗干扰的有效方法，如何正确设计印制电路板组件布局和选择布线方向的改进，以便满足PCB板抑制干扰和噪声的设计要求。文献[4]在建立单片机应用系统可靠性设计模型的基础上，提出了PCB可靠性设计应包括总体设计、布线设计和PCB尺寸及器件布置，并介绍了提高PCB可靠度的方法。电力电子变换器最终产品的好坏，在很大程度上取决于所设计的开关变换器PCB的布线。以上文献都没有涉及电力电子电路的布线问题。本文主要分析常用电力电子电路的PCB布线的几个关键问题，以利于开关变换器设计者参考。

2基本电力电子电路

最基本的电力电子电路有三种boost、buck、buck-boost^[5-9]。这三种拓扑取决于电感的链接方式，设置合适的参考地后，可以得到三个不同的端子：输入端、输出端和地端，如图1所示。若电感一端与地相连，则得到buck-boost电路；若电感与输入端相连，则得到boost电路；若电感与输出端相连，则得到buck电路。

图1电力电子电路的三种拓扑结构：(a)buck-boost拓扑；(b)boost拓扑；(c)buck拓扑。

3开关节点

在开关器件与二极管之间设置的电感电流换流节点称之为开关节点。电流从电感流入此节点，根据开关状态不同而流入开关或者二极管。任何DC-DC变换器拓扑均有此节点，由二极管参与构成的节点可防止巨大的电压尖峰产生。

节点电流在开关和二极管之间进行转换，因此二极管需要周期性的转换状态，即二极管需在开关导通时加反向电压而在其关断期间加正向电压。因此，节点电压来回振荡，将一示波器探头连接于此节点，探头地接于此拓扑电路的地，所得电压波形为方波。此波形与电感电压波形极为相似，不同之处在于此电压在正电压范围改变，改变幅度由电路拓扑决定。

实际设计PCB时需要特别注意防止在开关节点处布过多铜丝。否则它可能成为一个电磁场天线，向四周辐射射频干扰，输出导线会吸收此干扰并直接传递到输出。

所有集成IC的开关均与其控制部分封装在一起，这样虽然应用方便且价格便宜，但是通常这样的IC对走线寄生电感所产生的噪声更敏感。这是因为其功率级开关节点仅是该IC本身的输出引脚，该引脚将开关节点产生的高频噪声直接传递到控制部分，导致控制失常。

4PCB走线的宽度、厚度与电感

对于长度为l、直径为d的导线，其电感值可由式（1）表示。

(1)

式中：L和d的单位均为cm。

PCB走线电感的计算公式与导线电感公式区别不大，由式（2）表示。

(2)

式中：ω为走线宽度。

需要注意的是PCB走线电感基本与覆铜厚度无关。从以上对数关系可以看出，若PCB走线长度减少一半，则其电感值也减少一半。但走线宽度必须增加10倍才使其电感减少一半。即仅增加走线宽度用处不大，要减少电感应使走线尽量的短。

过孔电感由式（3）计算，

(3)

式中：h为过孔深度，单位为mm，一般h等于板厚，通常为1.4mm~1.6mm；d为过孔直径，单位为mm。对于1.6mm厚、直径为0.4mm的过孔电感为1.2nH。虽然不大，但实际证明它也影响开关IC的工作，特别是在使用MOSFET时。因此，必须使用一输入陶瓷电容为IC解耦，一定要注意该电容应尽可能靠近IC引脚与PCB连接处，并且在该电容与IC引脚焊点之间不能有过孔连接。

事实上增加某些走线的宽度对电路工作可能是不利的。例如，对正输入-正输出buck变换器，从开关节点到二极管的走线电压是变化的。任何带有变动电压的导体，不管它流过电流的大小，只要其尺寸足够大就会形成E型天线。因此，应该减少开关节点处的走线面积，而非增加它。这就是为什么要避免不当的“铜滥”的原因。唯一允许大面积覆铜的电压节点就是接地点或外壳接地点，其它走线（包括输入电源母线）都可能因寄生高频噪声而产生严重辐射效应^[10]。

减小电感的最好方法是减小长度，而