一種保護裝置BUCK開關電源的PCB優(yōu)化設計方法

陳 顥，王伏亮，王 寧，葛永高

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

開關電源具有電壓輸入范圍寬、輸入輸出電源隔離、功率密度大以及高效率的特點，被大量應用于智能電網的綜合自動化系統等場景，在現場環(huán)境條件惡劣、工作電磁環(huán)境復雜、安全穩(wěn)定性高的繼電保護裝置中的應用尤其廣泛[1]。隨著半導體技術的發(fā)展，大量的DSP、FPGA等元器件電源廣泛采用了3.3 V等低電壓供電。由于繼電保護裝置傳統主電源一般為±24 V、±5 V輸出，因此需要將5 V電源降壓后供給相關電子元器件負載使用。為了得到高性能的開關電源，提升系統運行穩(wěn)定性，本文針對降壓型BUCK變換電路進行研究，分析電壓電流脈動對系統產生的不利影響，提出了抑制BUCK電源干擾的PCB電路優(yōu)化設計方案，對BUCK電源的實際應用具有較強的指導意義。

1 BUCK等效電路分析

1.1 BUCK變換器等效電路

BUCK變換器是一種降壓型DC/DC單管非隔離型直流變換器。在連續(xù)工作模式下，它的兩種工作方式的簡化等效電路如圖1（a）和圖1（b）所示[2]。圖1中電源為理想電壓源，濾波電感為等效串聯阻抗Rls和感值L，輸出電容只考慮等效串聯電阻Req和容值Co。

由圖1可以看出，在開關電源的高頻導通、關斷過程中，電路中不可避免會出現電壓電流的脈動變化。由于電壓差可以產生電場，電流的流動可以產生磁場，因此電壓電流的大量高頻脈動信號在開關電源內部會產生變化的電磁場。這些信號在回路中經傳導或輻射會產生較大的電磁干擾，對高頻敏感器件如模擬器件的工作造成干擾，使某些器件性能降低或導致設備整體無法正常工作。

圖1 電感儲能階段等效電路

1.2 脈動電流干擾分析

實際工作時，開關電源電路中輸入輸出端的電流大小會不停發(fā)生變化，若電流時間變化率很大，則系統紋波噪聲也易增大，傳導至負載上易對系統其他元件產生較強的干擾[3]。

當BUCK電源正常工作時，假設負載恒定，對電流脈動變化情況進行分析。通過對圖2中開關電源電流脈動的分析可知：

（1）最大電流變化率是輸入端電容的返回電流，以及BUCK電源芯片反向功率管的續(xù)流路徑，變化范圍為0～負荷總電流。

（2）其次為電源輸出電流和負載側電容電流的變化。

（3）理想情況下，如負載恒定，負載側電流的變化率最小。

（4）實際使用時，負載多為電子器件和模擬器件的混合使用，負荷電流也呈現高頻脈動狀態(tài)。當負載側電流變化較大時，前端電流及負載電流的變化率也會很大。

圖2 BUCK電源電流脈動示意圖

在高頻情況下，較大的脈動電流在地平面上的傳導會產生明顯的電壓抖動和壓降，影響B(tài)UCK電源反饋參考電壓的穩(wěn)定。同時，地平面上的脈動輻射或傳導至負載端，會對負載產生較大干擾，影響如AD采樣芯片等的準確度，降低系統的采樣測量精度，嚴重時甚至會導致設備無法正常工作。因此，抑制電流的變化率，為電流變化率大的功率回路構建專有電流通路，避免其流經無關回路，可維持參考地平面電平的穩(wěn)定，顯著減小脈動電流對系統的電磁干擾，提高設備運行的穩(wěn)定性。

2 抑制BUCK電源干擾的PCB布局設計

2.1 干擾抑制方法

開關電源的PCB排版布線[4]對于抑制開關電源的紋波和電磁干擾非常關鍵。開關電源的紋波太大或者開關電源的電磁干擾容易影響板上其他電子元件的正常工作，因此根據電源電路的特點，正確合理進行電源PCB板設計和布局十分重要。

電路板上能量交換主要集中于器件的電源和地引腳，這些引腳一般直接和地平面相連。因此，適當增大地平面的面積，選擇開關頻率合適的電源芯片和高頻特性好、低ESR的輸出電容作為濾波電容，對減少端電壓的紋波、降低干擾有較好的效果。

為抑制脈動電流變化對系統的影響，宜為大脈動電流設計專有的電流通路，對平面上的電流分布進行合理分配和布置，并采用相應的屏蔽抑制，以減小其對臨近回路或電源參考地平面電位的影響，從而提高輸出的穩(wěn)定。

對于一些關鍵信號（如外界較敏感的電平信號）的地線布置，必須盡量縮小引線長度，減小信號的回流面積。另外，為集成電路芯片的電源端添加合適的解耦電容，也可有效減少噪聲[5]。

2.2 PCB布局優(yōu)化設計

根據以上分析，對BUCK電源信號回路的PCB布局進行優(yōu)化設計。理想的BUCK電源PCB布置示意圖如圖3所示。

圖3 理想的可抑制BUCK電源干擾的PCB布局設計

（1）為抑制地平面上的脈動電流形成傳輸環(huán)路，對平面上的電流分布進行分配布置，特別設計了輸入地平面和參考地平面，兩者間通過大面積銅箔過孔相連。

（2）電流變化最大的輸入端電容和BUCK芯片反向功率管電流路徑，設計布置在獨立的銅箔回路中，不流經參考地平面和輸入地，消除了大電流脈動對參考地平面回路的影響。

（3）輸入地與參考地平面間經銅箔過孔相連，阻抗相對較高，因此輸入電源電流絕大部分由獨立的輸入地流回電源，而不流經參考地平面，進一步減小了參考地平面脈動電流的分布。

（4）負載電流直接由參考地平面返回到輸出/輸入電容的地GND，返流回路路徑最短，減小了負載系統的交流阻抗，有利于抑制電磁干擾EMI。

（5）BUCK參考地接入點與參考地平面連接，無脈動大電流通過；BUCK電源調節(jié)參考電壓從電源輸出Vout處就近獲得，較為穩(wěn)定。

（6）增大輸入地和參考地平面的銅箔面積，以減小高頻阻抗和屏蔽外來的電磁干擾。

采取以上布局設計，可以有效減少電流時間變化率流經參考地平面或產生環(huán)路電流對電源的影響，提高了輸出電壓的穩(wěn)定性和電源的性能。

3 設計實現及測試

根據理論分析與PCB布局優(yōu)化設計，開關電源印制電路板實際電路如圖4所示。

圖4中，開關電源TPS54310為具有可調節(jié)輸出電壓的同步整流BUCK型DC-DC電源模塊，輸出電流可達3 A，默認頻率f=350 kHz。按照圖4布置，電源輸入地與參考地平面布于不同層銅箔上。實際測試時，該印刷電路PCB板上的電源輸入電壓Vin=5 V，輸出電壓Vout=3.3 V，電路板上帶DSP芯片TMX320 C6747、FPGA芯片Cyclone III以及存儲器等負載進行測試，采用泰克Tektronix DPO4104數字示波器輸出電壓紋波測量，紋波波形如圖5所示。其中，橫坐標為時間，每格代表100 ms；縱坐標為電壓值，每格代表20.0 mV。

圖4 開關電源PCB實際電路圖

從圖5可以看出，負載情況下開關電源輸出Vout紋波的均方根值僅為Vrms=9.053 mV，電壓波動很小，說明該PCB布局優(yōu)化設計對電源紋波及電磁干擾的抑制效果十分明顯，達到了預期目標。

4 結 論

本文通過分析BUCK電路元器件工作狀態(tài)，闡述了脈動電流對系統運行性能的影響，并提出了BUCK電源干擾的抑制方法。根據該抑制方法進行BUCK電源的PCB布局優(yōu)化設計，實際測試結果表明，該方法有效抑制了BUCK電源輸出紋波的大小，提高了負載情況下輸出電壓的穩(wěn)定性，降低了電源對系統的電磁干擾，具有較強的實用性。

圖5 電源輸出的紋波波形