配置直流电源限制

2020年2月18日

大型自耦变压器提供直流电源

在20世纪40年代，美国海军依靠“REC-30整流器”直流电源供电的电传打字机进行通信。100磅，两英尺宽的开关电源使用了一个大型自耦变压器，可以接受多个输入电压，为汞蒸汽闸流管输出400伏交流电。这些管起到整流器的作用，通过电容器和电感器网络将交流电压整流并调节为120 vdc输出。

直流电源不平等

直流电源为各种消费和工业设备提供所需的直流输出电压。虽然直流电源的概念似乎很简单，但两种基本类型的直流电源——线性和开关模式——可以满足这些设备的要求。当线性电源传导电流时，开关模式电源将直流转换为开关信号。开关电源中的整流器产生直流输出电压。

就物理尺寸而言，线性电源通常更大更重。这两种类型的电源在如何设计解决电磁干扰(EMI)、电源处理和调节方面也有所不同。虽然线性电源仍然适用于某些应用，大多数设备使用开关模式电源(SMPS)．开关电源对交流输入电压进行整流和滤波以获得直流输出电压。

开关电源分为两种

大多数SMPS遵循脉宽调制进近时以前进模式或升压模式操作。正向模式电源的输出端有一个lc滤波器，通过从滤波器获得的输出的电压-时间平均值产生直流输出电压。为了控制信号的电压-时间平均值，使用开关电源控制器改变输入矩形电压的占空比。

当电源开关打开时，升压模式电源直接连接在输入电压源上的电感。电感电流从零增加，并在关闭电源开关的同时达到峰值。输出整流器夹住电感输出电压，防止电压超过电源输出电压。当存储在电感器核心的能量传递到输出电容时，电感器的开关端回落到输入电压水平。

选择与电源规格相匹配的部件

而供应商提供了广泛的无源和有源组件，直流电源需要符合所需规格的组件，以实现良好的电源稳定性。例如，电感器需要更高的额定温度，以承受由SMPS变压器绕组中的电阻引起的升高的工作温度。

肖特基二极管、晶闸管和用作桥式整流器的mosfet必须处理电源的峰值和输出电流以及压降水平。此外，电路必须控制MOSFET开关，以防止电路输入端短路。任何直流电源设计都必须在输出电路中加入适当的元件，以防止反向电压和电流。

保持上述组件的准确、可靠的SPICE模型对于任何通过电路验证和验证工作的设计人员来说都是至关重要的。利用超过34000个精确的组件模型库，PSpice可以确保您的电路在投入生产之前在可用性和良率方面进行优化。

从布局开始

复杂的技术细节和功能要求涉及直流电源挑战设计团队。在任何设计中，布局都要确定电源的功能和热行为以及EMI要求。一个良好的布局优化供应效率。

糟糕的布局会在大电流水平和输入输出电压之间的巨大差异时带来问题。与糟糕的PCB布局相关的其他常见电源问题包括在高输出电流时失去调节，输出和开关波形上的过大噪声，以及电路不稳定。

封闭PCB电源布局。

在布置SMPS电源时，PCB设计者必须控制电源开关和输出整流回路的周长和迹线的宽度。保持小环周长消除了环作为低频噪声天线工作的可能性。更宽的走线还为电源开关和整流器提供了额外的散热。

开关调节器在“开”和“关”电源状态下工作。每一个“开”和“关”的电源状态都会导致电源元件传导并产生电流回路。因此，具有尖锐边缘的大电流脉冲在开关电源电路中流动会产生电磁干扰。好的电源布局是根据电流来确定回路的布局。由于电流回路在同一方向导电，控制电路耦合到布局中的特定点。用这种方法，磁场不能沿着位于两个半周期和之间的轨迹反向产生辐射电磁干扰．

良好的PCB设计还确保环路中的组件和每个电容器具有相同的对称布局。以这种方式细化布局可以确保并联电容器平等地共享电流和热量。并联电容器的使用允许滤波电容器吸收更高水平的纹波电流，同时最大限度地减少组件加热。

注意电源痕迹

在使用直流电源布局时，应保留处理高开关电流的短、直、厚痕迹。走线的宽度直接影响电源最小化噪声的能力以及压降的量。当大电流流过环路并遇到迹阻时，电压降发生并辐射射频噪声。

由于两个因素，使用更宽的迹线可以减少噪声传播。一种存在于迹线宽度和电感之间的反比关系。与电感的关系变得很重要，因为电感降低了环路的频率响应。在较低的频率，环路成为一个更有效的天线。由于环路只辐射较低的频率，更多的噪声能量逸入环境。迹线宽度与电阻之间也存在反比关系。噪声及其相关电流通过任何低电阻路径返回到产生的地方。

通过分析一定角度范围内的电压增益，并通过管理电路的相位角，PSpice可以帮助您在电路设计中规划和模拟适当的迹线宽度。这在进入布局时是至关重要的，如果没有适当的轨迹宽度，您的设计很容易短路或无法满足功率要求。

对印刷电路板进行测试的工程师