理清“功率流”和“信息流”

理清“功率流”和“信息流”

引用

新浪网

1.

https://finance.sina.com.cn/tech/roll/2024-08-27/doc-incmapwq1095950.shtml

在开关电源设计中，"功率流"和"信息流"是两个核心概念。功率流负责能量传输，而信息流则用于控制和反馈。本文将详细探讨这两个流的区别及其设计要点，帮助工程师优化电源设计。

在开发的过程中，确实需要明确区分功率路径和信息路径。功率路径是指电能在系统中的传输路径，包括电源、开关管、功率电感、负载、导线和其他电气元件。它负责提供足够的电能，以保证设备的正常运行。信息路径则是指用于传输控制信号、反馈信号或其他信息的路径，如控制电路中的电压反馈、电流反馈等。

"功率流"的设计要点

减小"串阻"

• 通过开关管、电感、电容，通过开关的过程，重新分配了能量的储存和输出的过程，使得开关电流能够提供稳定的电压，和持续的电流。
• 这些功率器件，需要在参与电压转换的过程中，减小能量的不必要损失。此时，就需要减小MOSFET的Rds（on），电感的DCR，电容的ESR，PCB走线的等效串阻，这些都是不必要的串阻。这些串阻在工作过程中，都会产生"无用功"。

优化功率器件的布局和散热

• 布局设计：功率器件如MOSFET、电感和电容的布局非常关键。它们之间的距离应尽量缩短，以减小寄生电感和寄生电容，从而减少开关过程中产生的电磁干扰（EMI）和功率损耗。此外，功率路径上的走线应尽可能宽，以降低电流通过时的压降和发热。
• 散热设计：开关电源中功率器件的损耗会以热量形式散发，过高的温度会影响电路的可靠性和寿命。设计时应考虑散热片、铜箔面积、热导材料，以及合理布置散热通道，以保证器件在安全温度范围内工作。

控制开关频率与效率的平衡

• 开关频率选择：开关频率越高，转换器体积可以做得越小，但也会增加开关损耗和EMI。降低开关频率可以减少开关损耗，但会导致电感和电容的体积增大。选择合适的开关频率以平衡效率、体积和EMI是设计中的一个重要权衡点。
• 开关损耗控制：开关过程中，MOSFET在开启和关断瞬间的损耗（如电压和电流重叠时产生的损耗）会显著影响整体效率。通过优化驱动电路的设计，如调整门极电阻值或使用合适的驱动电路，可以减少开关损耗。

管理电磁干扰（EMI）

• 滤波电路：在功率流设计中，EMI是不可避免的问题。通过合理设计输入输出滤波器、增加屏蔽层、优化走线布局，可以有效降低EMI。高频开关过程中产生的噪声可以通过滤波电路和屏蔽措施进行抑制。
• 减少电磁辐射：设计中应尽量减少高速开关节点的面积，因为它们容易成为电磁辐射的源头。对于高速电流路径，采用微带线或共面波导等设计来控制阻抗也有助于减小辐射。
• 电流环路的优化：
• 最小化电流环路面积：开关电源中的高频电流环路，如开关节点到电感的路径，应尽量短且环路面积最小。这不仅有助于减少EMI，还能降低环路的寄生电感和电阻，减少功率损耗。
• 例如输入电容靠近电源控制器的Vin和GND的输入端，使得整个大电流跳变的电流环足够小。
• 回路设计：确保功率地和信号地的分离，并在单点接地，以避免地环路干扰和电流回路引起的压降。这些压降会影响控制电路的精确度和稳定性。
• 保证通流能力：
• 这是最容易做到，往往也是最容易被忽略的。正常走线，大家都会计算线宽跟通流的关系，但是有时铜皮会被过孔打碎。
• 换层的时候注意过孔的数量要满足通流且留有余量。

通过合理规划和设计这些要点，能够有效提高开关电源的效率、可靠性和稳定性，减少损耗并改善整体性能。

功率流本质是传输能量，一般都是大电流、大电流跳变、大电压跳变等，本身强壮，但是具备破坏力；而信息流一般是小电流，容易被干扰。两者关系如下图，我们的设计要"抑制强者，保护弱者！"

所以信息流的设计，我们需要避开干扰源，环路要小，通过走差分线抑制干扰。

信息流的设计要点

避开干扰源

• 远离功率路径：信息路径应尽量远离高功率电流路径，以避免电磁干扰（EMI）和电场、磁场的耦合干扰。例如，信号线应与高频、高电流的功率线保持足够的距离或使用屏蔽层进行隔离。
• 使用低噪声地：在布局中，信号路径应连接到一个低噪声的地平面，而不是直接与功率地相连。这样可以减少信号路径中的噪声干扰。

最小化环路面积

• 闭环设计：信号回路的面积应尽量小，以减少寄生电感和电磁辐射。特别是在高速信号传输中，环路面积越小，抗干扰能力越强。例如，在控制电路中的反馈信号和驱动信号应通过尽可能短的路径返回到控制器。
• 紧密布局：对于敏感信号，布线应尽量靠近参考地，或者在布线的上下层设置完整的地平面，以减少回流路径的电感。

使用差分信号

• 差分线设计：对于关键的高速或噪声敏感信号，使用差分对布线能够有效抑制干扰。差分信号对的两个线迹应尽量保持等长、等间距，并且在同一层布线，以确保信号的完整性和抗干扰能力。
• 抑制共模噪声：差分信号的设计还可以减少共模噪声的影响，通过差分信号的自抵消特性来抑制外界的干扰。

信号线的屏蔽和滤波

• 屏蔽措施：对于极其重要的信号，如控制信号或反馈信号，可以使用屏蔽线缆或屏蔽层来防止外部干扰进入信号路径。这种设计在电磁环境较为复杂的情况下尤为重要。
• 滤波电路：在信号路径中添加滤波器，如RC滤波器或铁氧体磁珠，以抑制高频噪声。这对于降低EMI和改善信号完整性非常有效。

适当的接地设计

• 单点接地：信号地和功率地应在系统中的单一点进行连接，以避免地环路引起的干扰和信号偏移。单点接地可以减少地电流在信号路径中的不良影响。
• 分离敏感信号地和功率地：敏感信号（如反馈信号）的地平面应与功率地隔离，避免功率器件开关时的大电流引入干扰。