热回路究竟是什么?

当涉及到开关稳压器及其电磁兼容性(EMC)时,总是会提到热回路。尤其是优化印刷电路板上的走线布局时,更是离不开这个话题。但热回路到底指的是什么?

开关稳压器中需要不断开关电流。这些电流通常比较大。每当电流流动时,会产生磁场。如果快速开关大电流,就会产生交变磁场。此外,如果开关电流时,路径中存在寄生电感,就会 产生电压失调。电流会容性耦合到相邻的电路部件中,并增加电源的噪声辐射。综上所述,我们可以说开关电流是导致开关模式电源产生噪声的主要原因。图1显示了简化的降压转换器拓 扑结构。所有存在连续电流的线路都用蓝色表示。所有快速开关电流的线路都用红色表示。

图1. 具有连续电流的线路用蓝色表示,存在开关电流的线路用红色表示。

图1中的红色线路是关键线路。它们看起来像一个电流回路,因此被称为回路。热回路意味着这个回路特别关键,因为它涉及到快速开关电流。如果我们仔细观察这个回路,可以看到图1中 的红色回路从来没有真正的电流流过,这个因为两个开关从来不会同时打开。它只是单条线路的组合,在特定时间会有电流流过,在其他时间则没有电流流过。在图2中,各连接线路旁 的箭头表示电流流动的方向。同时,通过指定的符号表示电流流过的时间。在其他时间,没有电流流经该导体。

表1显示图2中的每条红色线路何时传导电流,何时不传导电流。在降压稳压器占空比周期的开启时段,高压侧开关开启,低压侧开关关闭,我们看到电流从输入电容流出,通过高压侧 开关,但是没有电流流经低压侧开关。在占空比周期的关闭时段,电流通过低压侧开关(从地到开关节点),其他三条红色线路则没有电流流过。

表1. 高压侧和低压侧开关状态与降压稳压器占空比周期 之间的关系
降压稳压器占空比周期 2 中的符号 高压侧开关 低压侧开关
开启时段 ta1
关闭时段 ta2

图2. 热回路中电流方向不同的各个线路。

从图2中很容易看出,热回路并不是一个独立的电流回路,而是由两个真实的电流回路组成的虚拟电流回路。

图3显示电路所基于的实际电流回路。一个电流回路显示为蓝色,另一个显示为绿色。在这些完整的电流回路之间,确实会反复出现开关操作;但是,在某些线路中,两个电流回路中的 电流流动方向相同,因此会叠加形成连续电流,就EMC而言影响不大。这些线路不会被称为热回路。

图3. 会导致所谓热回路的实际电流回路。

开关稳压器的热回路因开关稳压器的拓扑结构而异。其设计应尽可能窄小紧凑,以减少噪音产生和传播。ADI公司提供的 Silent Switcher®技术通过将输入电容集成到IC封装,尽可能缩小关键热回路。同时,将热回路分成两个对称的形状,可以产生两个极性相反的磁场,从而大幅抵消辐射噪声。 Power by Linear提供的LT8609S就是采用这种技术的开关稳压器。

作者

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal曾就读于德国埃尔兰根-纽伦堡大学微电子学专业。他于2001年开始工作,涉足电源管理业务,曾担任多种应用工程师职位,并在亚利桑那州凤凰城工作了4年,负责开关模式电源。他于2009年加入ADI公司,现担任位于德国慕尼黑的ADI公司的电源管理现场应用工程师。