一、升壓PFC電路的工作原理

PFC電路的工作原理是調(diào)整電流的波形，對(duì)電流電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。

功率因數(shù)補(bǔ)償不僅解決了電壓和電流不同相位的問題，更為重要的是解決了因供電電流呈強(qiáng)脈沖狀態(tài)而引起的電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)問題。

現(xiàn)代的PFC技術(shù)是針對(duì)非正弦電流波形畸變而采取的，迫使交流線路電流追蹤電壓波形瞬時(shí)變化軌跡，并使電流和電壓保持同相位，使系統(tǒng)呈純電阻性技術(shù)這就是PFC(功率因數(shù)校正)。

在整個(gè)PFC電路的設(shè)計(jì)中，布線是其重要一環(huán)，而布線設(shè)計(jì)過程難度較高，技巧較細(xì)、工作量較大，下面就由沃爾德實(shí)業(yè)小編就布線的要領(lǐng)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

?? 電路特點(diǎn)如下圖：

• 開關(guān)回路電流 It 幅度較大，但一般沒有尖峰毛刺，是拓?fù)洚a(chǎn)生的典型波形。

• 硬開關(guān)拓?fù)涠加幸粋€(gè)高頻脈沖電流 Ip 回路，其幅度最大，且有尖峰毛刺，其中毛刺部分幅度大，頻率高，因而含有較高的能量。它一般是由續(xù)流或者吸收（鉗位）二極管反向恢復(fù)引起的沖擊電流回路，是最容易引起干擾的元兇。

• 如圖一所示四種電流對(duì)應(yīng)流經(jīng)一段地線，并可能在對(duì)應(yīng)的地線段上產(chǎn)生干擾電位差。

一、PCB Layout的噪音影響原理

1、電源設(shè)計(jì)的回路盡可能小

下圖不分割的話回路面積太大，這樣就容易產(chǎn)生噪音，導(dǎo)致干擾問題。

Vnoise=Vag+Vgn+Vnd+Vde+Vej

Vnoise=Vdm_in+Vdm_out+Vej

2、良好的接地避免額外噪音影響

良好的接地獲得一個(gè)最小噪音的接地基準(zhǔn)參照，避免額外噪音影響。

輸入端是地，電容端也是地。不能接地的地方就是熱點(diǎn)。熱點(diǎn)分布范圍最小化，同時(shí)熱點(diǎn)屏蔽接地。

Vnoise=Vag+Vgn+Vnd+Vde

Vnoise=Vdm_in+Vdm_out

三、升壓PFC電路Layout 具體分析

圖一

如圖一， 交流回路, PFC、PWM回路，整流回路,，濾波回路這四大回路包圍的面積越小越好。

?? 要求：

• 各回路中功率組件彼此盡量靠近。

• 功率線條(兩交流線之間、正線與地線之間)彼此靠近。

• 功率線條(流過大電流的線條)要短而寬, 以降低損耗, 提高響應(yīng)頻率, 降低接收干擾頻譜范圍。

• PFC MOS和漏極、MOS散熱片必須接一次地，以減少共模干擾。

• 交流回路應(yīng)遠(yuǎn)離PFC、PWM回路, 以減少來自后者的干擾。

• 雙層PCB的上層盡可能用寬線，地線盡量布在上層。

• 多層PCB應(yīng)用一層作為地線、一層作為電源線，以充分利用層間電容去耦，減小干擾。

• PFC、PWM回路要單點(diǎn)接地. IC周邊組件的地先接到IC地再接到MOS的S極, 再由S極引到PFC電容負(fù)極。

1、Layout 要點(diǎn)一：電容很重要

從圖一可以看出，It 和 Ip 電流完全（不是部分）流經(jīng)了各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)電容 Ci 和 Co。一般人很少去關(guān)注電容上流過的電流，而實(shí)際上這正是開關(guān)電源布局的關(guān)鍵之一。干擾都是通過電容被旁路的，整個(gè)電路最強(qiáng)勁電流都在電容上，電容很重要！

按照反應(yīng)速度分，最快的器件是電容、二極管等器件，最慢的器件是電感等器件。

?? Layout 要領(lǐng)一：高頻脈沖電流 Ip 回路最小化

電路的高頻脈沖電流 Ip 回路，它一般都是由包括開關(guān)管在內(nèi)的快速器件組成的環(huán)路，在布局上讓它最小化（連線最短、面積最小，因而干擾最?。?/p>

這個(gè)是整個(gè)開關(guān)電源布局的第一步, 這樣連接后，ND兩個(gè)地會(huì)合并在一起，形成一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是整個(gè)電路的接地中心。

?? Layout 要領(lǐng)二：開關(guān)電流 It 回路最小化

電路的開關(guān)電流 It 回路，它一般都是包含了一個(gè)電感的拓?fù)渲骰芈返囊徊糠?，讓它最小化?/p>

注意：

1、It 回路與 Ip 回路有部分重疊，因此 It 回路應(yīng)該是在 Ip 回路基礎(chǔ)上的延伸。

2、有時(shí)候這兩個(gè)回路的布局有沖突，一般應(yīng)以 Ip 回路為主。

3、如果 It 回路有個(gè)接地點(diǎn)，那么這個(gè)接地點(diǎn)應(yīng)與上述接地中心重合，不能布置到一個(gè)點(diǎn)時(shí)，也要盡量縮短距離，同時(shí)留心這段地線上的 It 電流可能的影響。

4、條件受限時(shí)，上述2個(gè)回路的（輸入輸出）電容可能不能共地，必要時(shí)可以電氣并聯(lián)的方式就近增加一個(gè)（或兩個(gè)可以共地的）高頻電容達(dá)成共地。

畫好這兩個(gè)電流回路，這個(gè)PCB板布局的大致方位基本上確定了?，F(xiàn)在再考慮控制在哪？輸入輸出在哪？

需要特別指出的是：

1、這種布局是針對(duì)硬開關(guān)的，但是對(duì)軟開關(guān)拓?fù)淙匀挥行?，你總不希望自己的軟開關(guān)諧振波形上再意外出現(xiàn)一個(gè)小波吧？

2、這種布局是針對(duì)硬開關(guān)的，它就是要讓電路看上去更加符合理論波形，拿掉毛刺、拿掉尖峰。另一層意思是：它會(huì)更硬一些（可能對(duì)EMC某些頻段不利）。

3、從EMC角度，這種布局就是總體最優(yōu)化結(jié)構(gòu)，整體上最容易過輻射和傳導(dǎo)測試。具體到某個(gè)板能不能過？按這樣布局后的整改工作量和成本也是最小。

2、Layout 要點(diǎn)二：接地中心很重要

電氣地 ：

大地是一個(gè)電阻非常低、電容量非常大的物體，擁有吸收無限電荷的能力，而且在吸收大量電荷后仍能保持電位不變，因此適合作為電氣系統(tǒng)中的參考電位體。這種“地”是“電氣地”，并不等干“地理地”，但卻包含在“地理地”之中?！半姎獾亍钡姆秶S著大地結(jié)構(gòu)的組成和大地與帶電體接觸的情況而定。

邏輯地：

電子設(shè)備中各級(jí)電路電流的傳輸、信息轉(zhuǎn)換要求有一個(gè)參考的電位，這個(gè)電位還可防止外界電磁場信號(hào)的侵入，常稱這個(gè)電位為“邏輯地”。這個(gè)“地”不一定是“地理地”，可能是電子設(shè)備的金屬機(jī)殼、底座、印刷電路板上的地線或建筑物內(nèi)的總接地端子、接地干線等;邏輯地可與大地接觸，也可不接觸，而“電氣地”必須與大地接觸。

大致有以下幾種地線：

1、數(shù)字地：也叫邏輯地，是各種開關(guān)量(數(shù)字量)信號(hào)的零電位。

2、模擬地：是各種模擬量信號(hào)的零電位。

3、信號(hào)地：通常為傳感器的地。

4、交流地：交流供電電源的地線，這種地通常是產(chǎn)生噪聲的地。

5、直流地：直流供電電源的地。

6、屏蔽地：也叫機(jī)殼地，為防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)。

圖二

根據(jù)以上布局，圖一地線上 G、N、D 三個(gè)點(diǎn)已經(jīng)最大程度的合并成一個(gè)點(diǎn)了，這就是拓?fù)浣拥刂行?GND。它的意義也很明確：這個(gè)點(diǎn)以外的地線上應(yīng)該已經(jīng)沒有大的脈沖電流了，地線基本上就安靜了，板總體上也安靜了。因此，主電路的其他部分：橋在哪？輸入輸出端子在哪？怎么走線都問題不大了。

但仍然有意外情況：

輸出突然短路、或者輸入在交流的高電壓90°角突然開機(jī)，電容 Co 和 Ci 呈短路運(yùn)行工況，可能在地線的 GND-E 或者 A-GND 段上產(chǎn)生非常強(qiáng)大的電流和高達(dá)足以燒壞芯片的電壓差(可能十幾伏或更高)。有不少人開機(jī)或者短路就燒芯片（其他不燒），多半是這里沒處理好。

3、Layout 要點(diǎn)三：驅(qū)動(dòng)電流Ig回路最小化

拓?fù)涞牟季痔幚硗炅?，現(xiàn)在是控制部分。根據(jù)以上布局，已經(jīng)知道了接地中心，同時(shí)也能夠看出來開關(guān)的驅(qū)動(dòng)腳在哪個(gè)方向，就可以就近布置驅(qū)動(dòng)和控制電路了。

開關(guān)電源的所有操控，最終都由對(duì)開關(guān)管的精確驅(qū)動(dòng)來體現(xiàn)，因此驅(qū)動(dòng)環(huán)路要優(yōu)先布置。目的只有一個(gè)：保持驅(qū)動(dòng)波形的正確和純粹。

圖三

需要注意的是：

1、這個(gè)電流環(huán)路應(yīng)包含驅(qū)動(dòng)電路的 Vcc 濾波電容 Cg 通道在內(nèi)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電流本質(zhì)上就是該濾波電容 Cg 的輸出電流。這個(gè)電流（脈沖成分）是很大的，一般是安培級(jí)，至少是亞安培級(jí)，幾乎與拓?fù)潆娏飨喈?dāng)。

2、這個(gè)濾波電容 Cg 必須貼近驅(qū)動(dòng) IC 的供電端子布置，這是因?yàn)轵?qū)動(dòng) IC 內(nèi)部的電路和信號(hào)可能非常復(fù)雜和敏感，完全要仰仗這個(gè)電容來撐住。這一布線原則對(duì)任何一個(gè)芯片（電路）都適用，即：每個(gè) IC 的 Vcc 濾波電容無一例外的都必須就近連在該芯片的 Vcc 和 Gnd 引腳上，沒得商量。

3、這樣布置下來后，一般會(huì)形成 Rg 連線和 GND-gnd 兩條連線，兩條連線在環(huán)路電流 Ig 上是等效的。這意味著改變其中任意一條連線上的電流波形，都將改變驅(qū)動(dòng)電流波形，使其不再純粹。這還意味著 GND-gnd 可能會(huì)拉開距離，這就形成了第二個(gè)接地中心 gnd。

?? Layout 要領(lǐng)三：一點(diǎn)接地

GND 即驅(qū)動(dòng)電路的濾波電容 Cg 的接地端，它可能與拓?fù)浣拥刂行?GND 拉開距離。圖三所示，所有弱電單元的地線應(yīng)在此一點(diǎn)接地，再連接到 GND。為什么要這樣接？原因有以下幾點(diǎn)：

1、首先，輔助電源的電流 Iv 是最大的（也可能是安培級(jí)），而且跟 Ig 剛好反向（它是 Cg 的輸入電流），如果其接地點(diǎn)不連接到 gnd（控制地），比如接到 GND（電源地），勢必會(huì)在 GND-gnd 連線上形成 Iv 電流回路，使 Ig 疊加上 Iv，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流波形畸變，即：驅(qū)動(dòng)被供電干擾。 基于這個(gè)原因，驅(qū)動(dòng)電路的濾波電容 Cg 的 VCC 端的輸入輸出連接也需要分開走線。

2、其他電路單元的電流一般很弱，如果連接到其他地方，則會(huì)使 GND-gnd 連線上較強(qiáng)勁的 Ig 脈沖電流疊加到自己的地線上，即：控制被驅(qū)動(dòng)干擾。

3、同理，其他各個(gè)電路的地線，無論多么繞，均應(yīng)分別走線到GND 一點(diǎn)接地，否則，除了可能因上述 Ii、Io、Ip、It、Ig、Iv 等強(qiáng)電流竄進(jìn)自己的地線形成干擾外，還可能通過共用地線相互干擾。

如圖四所示是理想的單點(diǎn)接地，但實(shí)際畫板很難實(shí)現(xiàn)理想的單點(diǎn)接地。借助旁路電容可以將接地點(diǎn)分開使某些電路自成環(huán)路（例如IC旁的去耦電容、數(shù)字環(huán)、模擬環(huán)、功率環(huán)等），單點(diǎn)接地就是保證每個(gè)環(huán)只能有一點(diǎn)與地線連接。

如果環(huán)路中出現(xiàn)圖五中的多點(diǎn)接地，在此處就有可能形成干擾源，而采用單點(diǎn)接地的環(huán)路之間互相不影響。

圖四

圖五

四、結(jié)束語

為什么需要PFC？

?? PFC電路其有顯著如下好處：

• 校正感性/容性負(fù)載的電流相位

• 降低電力線上消耗無用的功率

• 消除由傳統(tǒng)整流濾波電路中的濾波電容對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的窄而陡的電網(wǎng)電流脈沖

現(xiàn)在國家強(qiáng)制要求 75瓦以上電源應(yīng)搭載PFC電路，所以良好的PFC電路設(shè)計(jì)很重要。與此同時(shí)將良好的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的Layout也就自然變得很重要。

在PCB布線和布局中有很多訣竅及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，這需要長時(shí)間地琢磨與實(shí)踐。小編把多年積累的一點(diǎn)心得貢獻(xiàn)給大家以供探討，不足之處敬請指正！感興趣的小伙伴可以關(guān)注一下沃爾德實(shí)業(yè)哦~