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下，QR combo 控制芯片應(yīng)運而生。 另外對于消費型電子產(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，也整合了高壓啟動與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檢測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，產(chǎn)生異常動作保護(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)驗與注意事項。

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)靈活性及簡化系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用。 該 PFC 級以最大頻率箝位在臨界導(dǎo)通模式 （CrM） 下運行時表現(xiàn)出接近1的功率因子。 該電路結(jié)合了構(gòu)建一個堅固緊湊的 PFC 級所需的所有必要功能，同時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)工作到第四個谷值并切換到一個頻率折返模式，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，同時待機(jī)功耗非常低。

電流路徑和接地點對噪聲的影響

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)定運轉(zhuǎn)。 作為組合IC，NCP1937控制兩個可變開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器而且彼此獨立運行。  事實上，PFC 部分柵極驅(qū)動器和 QR 部分柵極驅(qū)動器可以在任意點開啟和關(guān)閉。 因此有必要特別關(guān)注當(dāng)前的電流路徑和接地點，以避免噪聲在兩個轉(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（如圖1所示）。 下面的表 1說明了不同電流路徑的接地點，并表示為 PGNDx。 同時，為了區(qū)別模擬或信號接地點，將其表示為 AGNDx。 星形接地在業(yè)界眾所周知，是很好的實踐布局方式。 圖2是NCP1937的應(yīng)用線路在初級側(cè)星形接地配置的范例。

以下是針對初級側(cè)電流路徑的PCB布局以及接地點的說明：

一) 分別提供單獨的路徑給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轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電流重疊。

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 將是整個模擬信號地的星形連接中心點。 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。

針對初級側(cè)模擬信號的PCB布局以及接地點的說明：

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

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

三) AGND2 應(yīng)單獨連接至AGND1。

圖1：NCP1937的應(yīng)用電路以及各種接地點的區(qū)別

表1：說明圖1中的各個接地點

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)一步說明實踐的PCB布局方式。

一) 擺放NCP1937時， IC 可靠近PFC 電流感測電阻。

二) PFC 電流感測電阻盡可能靠近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)動信號及高dv/dt信號， 禁止穿越或靠近PCS/PZCD和 QCS信號回傳路徑

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

五) Flyback 功率電流必須單獨回到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grounding 必須都先連接到VCC SMT 電容。也就是VCC SMT 電容的接地端會呈現(xiàn)星形分散連接到所有的小信號grounding （藍(lán)色grounding ）

九) QR Aux winding GND 必須先連接到VCC的 電解電容，再從電解電容分成兩路各連接到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)單獨回路連接到Bulk cap GND 及 output cap GND。不可先匯入power loop 或是小信號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測試，會透過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能量會通過Y cap 到一次側(cè)會經(jīng)過獨立Trace 回到Bulk cap GND，但是另一個路徑則會經(jīng)過變壓器繞組耦合到一次側(cè)時，AUX 繞組grounding 若先連接到Current Senes 的power Trace 時，就會在CS 信號受到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)會經(jīng)過獨立Trace 回到Bulk cap GND，而另一個路徑則會經(jīng)過變壓器繞組耦合到一次側(cè)時，AUX 繞組grounding 則會先連接到Bulk cap GND，不會讓CS 信號受到ESD injection 能量產(chǎn)生distortion而造成誤觸發(fā)OCP保護(hù)機(jī)制。

簡言之，針對Combo IC控制器來操作兩個電源轉(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，將有效減少一個轉(zhuǎn)換器的噪聲耦合其他轉(zhuǎn)換器的敏感控制訊號。

圖5：優(yōu)化前，輔助電源繞組的GND連接到PFC電流感測電阻的負(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