PCB中大電流直流電壓管理方案解析

每位電氣工程師都應通過學習直流電源，歐姆定律和整個電路的電源分配來開始電子學教育。當您考慮在電路圖中表示真實組件的簡化方法時，與交流電源系統相比，直流電壓和電流看起來很簡單。實際上，直流電源系統會變得非常復雜，非?？焖?，設計人員需要考慮其系統中的電氣和熱安全性。

每個數字和模擬系統都需要一個板載電源，但是用于電力電子系統的板可以成為自己的成果。如果您正在設計直流電源系統，或者需要用于AC-DC轉換的系統，則需要考慮系統的安全性和溫度，尤其是在大電流下運行時?！按箅娏鳌币辉~似乎有些武斷，但是系統中的電流將確定不同組件的安全性和溫度升高，因為它決定了散發為熱量的DC功率。

PCB中的大電流直流電壓管理始于原理圖。目的是檢查系統中不同組件之間的電壓降如何以及在高電流下會消耗多少功率。高壓/大電流系統中的電阻，變壓器，開關FET和其他驅動器或控制IC之類的組件可能會達到高溫，或使用戶遭受輸出沖擊。

直流穩壓器級

電力系統本身可能需要多個調節器級。目標是采用不受管制的，可能有噪聲的直流電源，并將其轉換為具有固定電壓/電流的穩定直流輸出。當涉及到高直流下的高壓電源電路時，市場上很少有集成電路集成了直流電源轉換所需的所有組件，因此您必須在輸入調節器級上使用單獨的分立組件。這是這些系統很大的原因之一。分立元件需要布置在PCB上，以便為板上的風扇或散熱器騰出空間。

在原理圖中，您需要使用分立元件構建穩壓器電路，并模擬到達輸出的電壓/電流?？梢允褂肞Spice中的瞬態分析來計算每個調節器級提供的功率。通過將每個階段的輸出功率與輸入功率進行比較，可以確定電路的效率。設計良好的開關穩壓器應具有遠高于95％的效率。您可以在相關文章中閱讀有關設計和模擬各種開關穩壓器拓撲的更多信息。

大電流DC降壓轉換器的原理圖

使用PSpice中的仿真工具，可以在直流穩壓器級中進行以下仿真：

輸出電壓，電流和功率。為此，只需放置理想的負載分量（上圖中的RL）并進行瞬態分析。這將向您展示輸出電壓，功率和電流如何上升以達到穩態。只需在輸出上放置探頭，或添加波形。有關上述電路中電感器的示例電壓波形，請參見下圖。

電阻元件的功耗。您的目標是檢查電阻組件的功耗是否不超過絕對最大額定功率。然后，每個組件的功耗將確定其溫度升高。您可以通過將組件溫度系數作為零件參數包含在PSpice原理圖中來直接模擬每個組件中的溫度。

輸入直流電壓掃描。通過直流電壓掃描，您可以查看系統輸出的變化方式，并可以確定最大輸入電壓。這應該與上一點結合起來，因為增加輸入電壓會增加跨不同組件的功耗。對于開關MOSFET，如果輸入電壓超過晶體管負載線的線性范圍，則輸出將飽和。

直流穩壓器中的輸出電壓電平和電感器電流

瞬態分析使您可以看到輸出紋波，穩定的電壓電平以及電壓紋波與其他組件中的電壓/電流的比較。下面顯示了在上述調節器級中將輸出電壓與電感器電流進行比較的示例。下圖還顯示了低輸入電壓的結果。掃描輸入電壓時，您可以生成多個圖形并確定電壓電平何時停止增加（即，穩壓器中的MOSFET何時飽和）。

在上述電路中以及在DC-DC轉換器設計中要考慮的重要一點是電容器中的寄生效應。電容器引線中的串聯電感和電阻會導致所有電容器表現出自諧振，這意味著電容器的功能類似于串聯RLC電路。您可以使用PSpice中的掃頻模擬來確定電容器的自諧振頻率。電容器的自諧振頻率應大于PWM信號的拐點頻率，以確保輸出電壓上的低紋波。

確定DC-DC階段的電壓和電流后，您需要考慮電路

用于大電流AC-DC轉換的隔離和PFC電路

如果要構建從交流輸入轉換成的大電流直流電源系統，則在輸入上需要整流器。為了很大程度地提高開關穩壓器級的輸出效率，您可能需要使用功率因數校正（PFC）電路來確保下游開關穩壓器吸收穩定的電流。開關穩壓器會在短時間內產生電流，因此輸入功率級的電流不會像干凈的正弦波。取而代之的是，它會流向下游調節器級的電流很小。

PFC電路的目的是確保流向下游開關調節器的電流類似于正弦波。PFC電路在整流器的輸出端使用一個電感器，以抑制開關調節器吸收的任何電流。當電流突發流過PFC級的輸出時，電感器會產生反電動勢，這會減慢到達穩壓器級輸入的電流上升。典型的拓撲如下所示：

用于大電流AC-DC轉換的PFC拓撲

甲PWM信號用于切換的MOSFET（見S上文），這引起電容器的充電和放電。PFC電路的輸出電平和波形將取決于PWM占空比。輸入電感器減緩了到達電容器的輸入電流的上升和下降，這導致到達調節器輸入的電流類似于帶有一些波紋的正弦波。

就像DC-DC轉換階段中的各個調節器階段一樣，您應該對輸出進行瞬態分析，以檢查電流波形類似于帶有波紋的正弦波，并且應該將輸入功率與輸出功率進行比較以計算效率。還應模擬電阻組件的功耗，并且應檢查額定功率和溫度是否超過最大值。

大電流直流電源系統中要考慮的其余方面是交流電源的隔離。大功率交流電源通常在PFC級之前通過變壓器和整流器饋電，以降低電壓。在輸入直流穩壓器上使用反激轉換器具有許多好處。首先，將第一直流調節器級的初級和次級側電隔離。這樣可以減少來自初級側的瞬態耦合，消除下游轉換器級中的接地環路，并允許通過選擇變壓器上的繞組方向來控制輸出極性。PSpice中的瞬態仿真將向您展示初級側的瞬態如何傳播到第一級調節器輸出，從而使您能夠評估系統的安全性。

規劃您的PCB布局

從SPICE仿真中獲得的結果對于規劃DC系統中的功率分配至關重要。您的布局以電源/接地層，過孔，電源軌和實際組件的形式在直流電流中形成了另一層電阻。PCB布局的其他方面也需要加以考慮，以防止走線和組件的溫度過度升高。IPC標準以及消費和商用產品的UL和IEC標準規定了用于高壓和大電流系統的DC和AC PCB布局的這些方面。

為了符合IPC，開始布局時要考慮兩點：走線中的電流密度和導體之間的間距，取決于它們之間的電勢差?？梢愿鶕呔€允許的溫升來確定DC和AC電源系統PCB的走線寬度。然后可以從IPC-2152諾模圖確定。目的是確定要在PCB中使用的合適的銅重量。

規定了保持不同電位的導體之間的間距，目的是防止操作過程中產生靜電放電。這些間隙（視線間距）和爬電距離（板表面間距）的規則在IPC-2221標準中指定。有一些簡單的公式可以用來確定高壓直流電源系統中最小間隙和爬電距離與電壓的關系。
編輯：hfy