AC-DC控制器PCB布局指南

在65W~150W 輸出功率范圍應(yīng)用下，CrM PFC + QR Flyback 拓樸是非常普遍被選用的架構(gòu)，在小型化集成線路趨勢(shì)下，QR combo 控制芯片應(yīng)運(yùn)而生。 另外對(duì)于消費(fèi)型電子產(chǎn)品，不僅能效需要符合法規(guī)的要求，其待機(jī)損耗也是相當(dāng)重要的評(píng)判指標(biāo)。 SO20封裝不僅整合了PFC 與 QR 控制器的功能，也整合了高壓?jiǎn)?dòng)與X2 cap 放電機(jī)制， 當(dāng)然IC也必須考量到絕緣空腳距離以致于有些腳位的功能是復(fù)合性的，就像HV/X2， BO/X2， PCS/PZCD... 在這之中尤其是以小信號(hào)檢測(cè)PCS/PZCD比較敏感，避免用戶在應(yīng)注意而未注意情況下進(jìn)行不恰當(dāng)?shù)腜CB布局設(shè)計(jì)，產(chǎn)生異常動(dòng)作保護(hù)觸發(fā)的現(xiàn)象，以下就為大家介紹NCP1937相關(guān)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)與注意事項(xiàng)。

NCP1937集成了功率因數(shù)修正 （PFC） 和準(zhǔn)諧振（QR）反激式控制器，旨在用于電源適配器并實(shí)現(xiàn)高能效、緊湊型開關(guān)電源，例如： PD快充、工業(yè)通信電源、電動(dòng)工具快充等方案。 這是一款采用混合數(shù)字內(nèi)核架構(gòu)的AC-DC器件，能夠提供更高能效、增強(qiáng)靈活性及簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用。 該 PFC 級(jí)以最大頻率箝位在臨界導(dǎo)通模式 （CrM） 下運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出接近1的功率因子。 該電路結(jié)合了構(gòu)建一個(gè)堅(jiān)固緊湊的 PFC 級(jí)所需的所有必要功能，同時(shí)最大限度地減少外部器件的數(shù)量。 準(zhǔn)諧振電流模式反激級(jí)具有專有的谷值鎖定電路，確保穩(wěn)定的谷值開關(guān)。 該系統(tǒng)工作到第四個(gè)谷值并切換到一個(gè)頻率折返模式，最小頻率箝位超出第4階谷以消除可聽噪聲。 跳周期模式操作允許在輕負(fù)載條件下具有出色的效率，同時(shí)待機(jī)功耗非常低。

電流路徑和接地點(diǎn)對(duì)噪聲的影響

在任何電源轉(zhuǎn)換器中，PCB 布局和布線需要考慮盡量減少噪聲的產(chǎn)生和確保穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。 作為組合IC，NCP1937控制兩個(gè)可變開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器而且彼此獨(dú)立運(yùn)行。  事實(shí)上，PFC 部分柵極驅(qū)動(dòng)器和 QR 部分柵極驅(qū)動(dòng)器可以在任意點(diǎn)開啟和關(guān)閉。 因此有必要特別關(guān)注當(dāng)前的電流路徑和接地點(diǎn)，以避免噪聲在兩個(gè)轉(zhuǎn)換器之間的相互作用。 在為NCP1937布置PCB之前，建議區(qū)別并注釋各種接地點(diǎn)（如圖1所示）。 下面的表 1說明了不同電流路徑的接地點(diǎn)，并表示為 PGNDx。 同時(shí)，為了區(qū)別模擬或信號(hào)接地點(diǎn)，將其表示為 AGNDx。 星形接地在業(yè)界眾所周知，是很好的實(shí)踐布局方式。 圖2是NCP1937的應(yīng)用線路在初級(jí)側(cè)星形接地配置的范例。

以下是針對(duì)初級(jí)側(cè)電流路徑的PCB布局以及接地點(diǎn)的說明：

一) 分別提供單獨(dú)的路徑給PFC和反激式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流。 從圖1可知，PGND3 到PGND4 的電流路徑（PFC電流路徑）和 PGND4 到 PGND5 的電流路徑（反激式轉(zhuǎn)換器電流路徑）是完全隔開，有各自的電流回路。 這將避免開關(guān)電流和柵極來自兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電流重疊。

二) PGND6 和 PGND4 之間的路徑可以改善的浪涌（surge）的耐受度。 建議使用單獨(dú)的走線以及足夠的線寬，將PGND6接回PGND4。

三) 建議PGND4 和PGND5 之間的接線盡可能越短越好。

四) PGND4 將是整個(gè)模擬信號(hào)地的星形連接中心點(diǎn)。 連接PGND4 和 AGND 1 之間應(yīng)盡可能短且盡可能寬。

五) PGND1、PGND2、PGND3 之間可以是連續(xù)路徑，即不需要隔離這些路徑。

針對(duì)初級(jí)側(cè)模擬信號(hào)的PCB布局以及接地點(diǎn)的說明：

一) AGND1 是 模擬信號(hào)接地端的星形中心點(diǎn)。 AGND2和AGND3應(yīng)在該點(diǎn)相交。

二) AGND3 來自 PFC 扼流圈輔助繞組，應(yīng)單獨(dú)連接至AGND1。

三) AGND2 應(yīng)單獨(dú)連接至AGND1。

圖1：NCP1937的應(yīng)用電路以及各種接地點(diǎn)的區(qū)別

表1：說明圖1中的各個(gè)接地點(diǎn)

圖2：NCP1937使用星形接地范例

用例：90W電源適配器應(yīng)用電路的PCB布局

圖3為安森美(onsemi) 90W 電源適配器的展示板。 接下來透過應(yīng)用線路（圖4）來進(jìn)一步說明實(shí)踐的PCB布局方式。

一) 擺放NCP1937時(shí)， IC 可靠近PFC 電流感測(cè)電阻。

二) PFC 電流感測(cè)電阻盡可能靠近Bulk cap 的接地端。

三) 建議PCS/PZCD和QCS loop 可優(yōu)先布線，路徑盡可能愈短愈好。 任何高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)及高dv/dt信號(hào)， 禁止穿越或靠近PCS/PZCD和 QCS信號(hào)回傳路徑

四) PFC 功率電流必須單獨(dú)回到Bulk cap GND. （紅色power grounding）

五) Flyback 功率電流必須單獨(dú)回到Bulk cap GND，不可以經(jīng)過PFC 功率電流路徑才回到Bulk cap GND

六) PFC 扼流圈輔助繞組的接地端， 必須直接連接到VCC SMT 電容的接地端

七) VCC SMT 電容以及PCS/PZCD 濾波電容 必須靠近IC 的GND

八) 所有小信號(hào)grounding 必須都先連接到VCC SMT 電容。也就是VCC SMT 電容的接地端會(huì)呈現(xiàn)星形分散連接到所有的小信號(hào)grounding （藍(lán)色grounding ）

九) QR Aux winding GND 必須先連接到VCC的 電解電容，再?gòu)碾娊怆娙莘殖蓛陕犯鬟B接到VCC SMT 電容GND 及Bulk cap GND （綠色接地）

十) PCS/PZCD 的RC濾波必須靠近IC pin 腳（藍(lán)圈1）

十一) QCS 的RC濾波必須靠近IC pin 腳（藍(lán)圈2）

十二) QZCD high low line 補(bǔ)償電阻靠近IC pin 腳

十三) HV/X2 and HV/BO pin 可以預(yù)留落地高壓濾波電容（~ 470pF）

十四) 一、二次側(cè)的Ycap 應(yīng)單獨(dú)回路連接到Bulk cap GND 及 output cap GND。不可先匯入power loop 或是小信號(hào)grounding loop

圖3：安森美90W 電源適配器的展示板

圖4：應(yīng)用線路以及接地的布局方式

通過PCB布局優(yōu)化ESD，避免誤觸發(fā)保護(hù)機(jī)制

另一方面為了通過ESD測(cè)試，會(huì)透過PCB布局的方式優(yōu)化ESD能量的路徑，避免誤觸發(fā)IC的保護(hù)機(jī)制。 圖5是優(yōu)化前的接地方式，ESD能量會(huì)通過Y cap 到一次側(cè)會(huì)經(jīng)過獨(dú)立Trace 回到Bulk cap GND，但是另一個(gè)路徑則會(huì)經(jīng)過變壓器繞組耦合到一次側(cè)時(shí)，AUX 繞組grounding 若先連接到Current Senes 的power Trace 時(shí)，就會(huì)在CS 信號(hào)受到ESD injection 能量產(chǎn)生distortion造成誤觸發(fā)OCP保護(hù)機(jī)制。 然而ESD 表現(xiàn)較好的布局，如圖6，可以看到不僅Y cap 到一次側(cè)會(huì)經(jīng)過獨(dú)立Trace 回到Bulk cap GND，而另一個(gè)路徑則會(huì)經(jīng)過變壓器繞組耦合到一次側(cè)時(shí)，AUX 繞組grounding 則會(huì)先連接到Bulk cap GND，不會(huì)讓CS 信號(hào)受到ESD injection 能量產(chǎn)生distortion而造成誤觸發(fā)OCP保護(hù)機(jī)制。

簡(jiǎn)言之，針對(duì)Combo IC控制器來操作兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換器，PCB布局是電源轉(zhuǎn)換器可發(fā)揮高效能以及穩(wěn)定操作的關(guān)鍵因素。 遵循上述的接地建議，將有效減少一個(gè)轉(zhuǎn)換器的噪聲耦合其他轉(zhuǎn)換器的敏感控制訊號(hào)。

圖5：優(yōu)化前，輔助電源繞組的GND連接到PFC電流感測(cè)電阻的負(fù)端

圖6：優(yōu)化后，輔助電源繞組的GND連接到PFC bulk電容的負(fù)端