熱迴路究竟是什麼?

作者: ADI現場應用工程師 Frederik Dostal


當我們談到切換開關穩壓器以及其電磁相容性(EMC)時,總是會提到熱迴路。尤其是最佳化印刷電路板上的佈線佈局時,更是離不開這個話題。但是,所謂的熱迴路,其到底指的是什麼?

切換開關穩壓器中需要不斷開關電流,而這些電流通常比較大。每當電流流動時便會產生磁場。如果快速開關大電流,那麼就會產生交變磁場。此外,如果切換開關電流時,路徑中存在寄生電感,就會產生電壓失調。電流會容性耦合到相鄰的電路部件中,並增加電源的雜訊輻射。如此,我們可以說,切換開關電流是導致切換開關模式電源產生雜訊的主要原因。圖1所顯示的,便是一個簡化的降壓轉換器拓撲結構,所有存在連續電流的線路都以藍色表示,而所有快速開關電流的線路則以紅色表示。

圖1. 具有連續電流的線路以藍色表示,存在開關電流的線路以紅色表示。

圖1中的紅色線路是為關鍵線路。它們看起來像一個電流迴路,因此被稱為迴路。熱迴路意味著這個迴路扮演特別關鍵的角色,因為其涉及到快速開關電流。如果我們仔細觀察這個迴路,可以看到圖1中的紅色迴路從來沒有真正的電流流過,這個因為,兩個開關從來不會同時打開。它只是單條線路的組合,在特定時間會有電流流過,在其他時間則沒有電流流過。在圖2中,各連接線路旁的箭頭表示電流流動的方向。同時,透過指定的符號表示電流流過的時間。在其他時間,沒有電流流經該導體。

表1顯示圖2中的每條紅色線路何時傳導電流,何時不傳導電流。在降壓穩壓器工作周期的開啟時段,高壓側開關開啟,低壓側開關關閉,我們看到電流從輸入電容流出,通過高壓側開關,但是沒有電流流經低壓側開關。在工作周期的關閉時段,電流通過低壓側開關(從接地到開關節點),其他三條紅色線路則沒有電流流過。

表1. 高壓側和低壓側切換開關狀態與降壓穩壓器工作周期之間的關係
Buck Regulator Duty Cycle Symbol in Figure 2 High-Side Switch Low-Side Switch
On-time ta1 On Off
Off-time ta2 Off On

圖2. 熱迴路中電流方向不同的各個線路。

從圖2中很容易看出,熱迴路並不是一個獨立的電流迴路,而是由兩個真實的電流迴路組成的虛擬電流迴路

圖3顯示電路所基於的實際電流迴路。一個電流迴路顯示為藍色,另一個顯示為綠色。在這些完整的電流迴路之間,確實會反覆出現開關操作;但是,在某些線路中,兩個電流迴路中的電流流動方向相同,因此會疊加形成連續電流,就EMC而言影響不大。這些線路不會被稱為熱迴路。

圖3. 導致所謂熱迴路的實際電流迴路

開關穩壓器的熱迴路因開關穩壓器的拓撲結構而異。其設計應盡可能的窄小,以減少雜訊產生和傳導。ADI所提供的Silent Switcher® 2技術透過將輸入電容整合到IC封裝,因而可盡可能縮小關鍵熱迴路。同時,將熱迴路分成兩個對稱的形狀,可以產生兩個極性相反的磁場,從而大幅抵消輻射噪聲。而Power by Linear™ 提供的LT8609S ,便是採用此種技術的切換開關穩壓器。


Author

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal studied microelectronics at the University of Erlangen in Germany. Starting in the power management business in 2001, he has held in various applications positions including four years in Phoenix, Arizona, working on switch mode power supplies. He joined Analog Devices in 2009 and works as a Field Application Engineer for Power Management at Analog Devices in Munich.