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轉換器通用佈局建議

轉換器的電路佈局方式十分重要,適當的佈局方式有助於發揮轉換器的能力。佈局不當可能會造成輸出電壓漣波過大,或者是EMI雜訊變高,甚至是轉換器散熱不足造成異常溫升。採用適當的佈局方式,即可抑制上述的問題。本文提供幾個電路佈局應注意的項目。

1. 迴路電流路徑

圖1中的紅線為轉換器的電流路徑,Cin、Co分別為輸入與輸出電容,可以有效抑制輸入電流與輸出電壓漣波。

  • 圖2(a)為建議的佈局方式,輸入與輸出電容皆靠近轉換器本體。
  • 圖2(b)為輸入電容距離轉換器本體太遠,或無法在同一層走線。可能會造成輸入電流的漣波過大的問題,造成輸出雜訊過高,或者是轉換器無法穩定工作。

圖2(c)為如果負載端與轉換器有一定的距離,建議在兩端都接電容,減小輸出電壓漣波。

 

2. 電路佈局與形狀

適當的銅箔面積有助於轉換器透過引腳散熱。但是,實際應用中無法在單一層面實現足夠的散熱面積,透過多層板增加散熱面積,並使用貫穿孔連結為常見的解決方式。灌孔可以幫助將熱量傳導至其它層,適當的佈局方式可以參考圖3(a)。如果無法使用足夠的銅箔,如圖3(b)所示,轉換器散熱能力受限,使得轉換器運作時,時常處於高溫狀態。

至於銅箔面積與負載電流的關係,可以參考IPC-2111第6.2節。電路板的電流載流能力可以分為內層與外層線路,內層線路的最大電流載流能力被設定為只有外層線路的一半。圖4為IPC-2111中所提供的外層與內層線路載流圖表。另外,也可以透過以下公式計算所需的截面積。

K: 修正係數,內層時取0.024,外層時取0.048

△T: 預估銅箔溫升 (°C)

A: 銅箔截面積 (mil2)

I: 電流載流能力 (A)

透過公式可以求得,假設流過1 A,銅箔厚度為1 oz/ft2,預估銅箔溫升為10°C,透過公式可以求得內層需要的寬度為30.8 mil,而外層需要11.8 mil。

對照圖表發現,如果是相同條件,外層需要的面積相較之下較寬,大約為17 mil,內層約為44 mil,在此建議以較寬的數值為主。

3. EMI零件擺放位置

EMI分為傳導雜訊和輻射雜訊,傳導雜訊是指經由線或PCB板傳導的雜訊。輻射雜訊是指發射(輻射)到環境中的雜訊。對於這些雜訊,各應用的法規分別都有抗擾度要求,如工業或醫療常用的EN55011 (CISPR11),以及資通訊產業常用的EN55032 (CISPR32),海事類產品則需要依循EN60945。

轉換器對策EMI的零件可以參考產品規格書所述,常見的對策元件如PI濾波器、共模電感與安規電容。在對策雜訊時,選擇正確的零件十分重要。另外,零件擺放與佈線的方式往往也會影響EMI的測試結果,以下討論各個對策較適合的方式。

  • PI濾波器

PI型濾波器是最常見的對策方式之一,主要是由電感與電容組成,建議的佈局方式如圖5(a)所示。需要注意的是電感正下方不建議再走線,如圖5(b),避免不必要的雜訊干擾。

  • 共模濾波器

共模濾波器是兩個線圈繞在一個磁芯上,相當於兩個電感組合在一起,如圖6所示。當共模電流(ICM)流入時,兩邊的共模電流方向相同,磁通量增強,增加了共模電感的感抗,使得共模電流受到抑制。當差模電流(IDM)流入時,兩邊的共模電流方向相反,磁通抵消,差模電流直接通過。

圖7(a)為共模濾波器的建議佈局方式,有幾個點是要特別注意的,共模電感正下方不適合走線或者是鋪設散熱銅箔,如圖7(b)。另外,共模電感輸出的線,請勿交越,或者是輸入與輸出端靠太近,以免降低抑制的能力,如圖7(c)所示。

  • 安規電容

安規電容的意思是,即其失效後不會造成電擊,也不會影響人身安全,安規電容包含X電容和Y電容兩種。

X電容是跨接在電力線兩線之間,X電容器能夠抑制差模干擾,常用於交流轉直流轉換器應用。

Y電容夠抑制共模干擾,通常是跨接在初級和次級之間。目的是給次級的共模電流提供一個迴路到初級,減少共模電流對輸出的影響,如圖8所示。

圖9(a)為Y電容的建議佈局方式,要注意的點是在走線的時候,要先確認實際應用的耐壓需求,因此,一、二次測的走線不能靠太近,如圖9(b)所示。以及,如果轉換器的外殼是金屬殼,Y電容也不能離轉換器太近,以免耐壓距離不足。

  • 磚型產品注意事項
  1. 輸入與輸出腳位接到鋁基板的Y電容,盡量與輸入或輸出pin靠近,如圖10所示。

    磚型產品由於多了鋁基板,對測EMI的方式有些許不同,以下是幾個對於鋁基板產品的佈線佈線注意事項。

  2. 在轉換器同一層,預留與產品相同尺寸的銅箔,並接到螺絲孔。如圖10所示。
  3. 除非產品規格書有敘述,否則不建議直接將鋁基板直接接到系統的大地。
  4. 為了更好的操作溫度表現,鋁基板可以透過隔離的散熱墊接到系統外殼。

 

結論

適當的佈線與擺件方式,有助於提升或正常發揮轉換器的性能表現。本文是使用舉例的方式說明已發現有用的做法,並提出了一些建議與不建議的佈線與擺件方式。每個設計中都有各自的要求,因此無法強制規範電路的佈局,使用者可以依照自身的設計,調整成最適合的佈線與擺件方式。

 

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