隔离电源芯片PCB布线设计

科技   2024-11-19 15:04   中国香港  

通常,涉及到高电压(强电)和低电压(弱电)之间的信号传输的设备都需要进行电气隔离,以保证强电和弱电电路之间信号传输的安全性。隔离 电源 芯片是内置片上变压器的隔离DC/DC电源芯片,将输入电源进行转换并输出,实现输入输出两端电气隔离的电源芯片。因此在PCB布线设计中,除了要遵循PCB布线的基本规则外,还有以下一些注意事项:

一、原边和副边电源VCC对地电容的PCB设计
隔离电源工作时,芯片电源VCC和地之间有比较大的尖峰电流,为了及时补充芯片在高速工作时所需的尖峰电流,防止输入侧电压跌落,在电压供电的入口处需放置一个10uF左右的储能电容,滤除低频噪声。同时为了滤除叠加在电源线的高频交流干扰,电源和地之间需要再并联一个0.001~0.1uF的去耦电容。
去耦电容的摆放位置非常关键,其原则是:尽量靠近电源引脚,并使电容的电源走线和地线所包围的面积最小。当有多个电容并联时,因小电容的去耦半径更小,应尽可能最靠近芯片引脚。电容到芯片引脚的距离应控制在2mm以内。如下图所示:
       
当需要在电源线和地线之间放置过孔时,为了减少过孔寄生电感的影响,过孔的摆放位置应在电容相对于芯片引脚的外侧,而不是放置在芯片和电容之间,如果PCB空间允许,可以放置多个过孔,相当于过孔的寄生电感并联,进一步减少过孔寄生电感的影响。
            
二、改善EMI辐射干扰
隔离器芯片通常用于工业控制领域,需要过安规认证。而隔离电源芯片内置微变压器,变压器开关工作频率较高,短时间大电流的切换会产生电磁辐射,引起较大的di/dt噪声,产生EMI问题。微变压器原副边电流路径的环路面积影响着辐射干扰的强弱,电流环路越大,辐射越强。除了上面提到的电源和地之间的滤波电容外,还可以通过PCB的VCC平面层和地层之间的拼接电容,形成去耦电容。当PCB的两信号层存在面积覆铜交叠时,就会形成一个电容。这种电容分布电感低,高频特性好,能覆盖宽的频率范围,可以用来改善EMI的辐射干扰。
下面举例一种4层PCB的布线方法。4层PCB的中间两层加入VCC(原边)和VISO(次边)铜箔。以增加其对GND1的寄生电容;GND1和GND2的交叠电容。能明显改善EMI效果,如下图所示:注意GND1和GND2的PCB层间距离应大于0.4mm 。
除了利用PCB拼接电容改善EMI辐射,还可以利用过孔建立屏蔽墙,为内层电源建立边缘防护来改善EMI辐射。电源层和地层的电场是变化的,在PCB板边缘会向外辐射电磁干扰,称为边缘效应。将电源层内缩,使得电场只在接地层的范围内传导,以减少向外辐射。若电源平面的边缘到地平面的边缘内缩两个平面层间距 的 20 倍以上,可以有效降低向外辐射,即 20H 法则。如下图所示:
     
同时,在 PCB 四周加上一些接地的过孔,形成接地过孔 防护盾,将噪声返回到地层,能减少对外的辐射。如下图所示:
过孔屏蔽墙的设计原则如下: 
1.  有一排以上的过孔;
2. 若有两排以上,两排过孔尽量相互错开; 
3. 同一排的过孔间距不小于电磁波波长 λ 的二十分之 一。实际布线时,过孔间距可以取 3mm 左右,足以屏蔽 1GHz 以下的电磁干扰。 


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