减少DC-DC转换器中的接地反弹—一些接地要点

电气接地1在原理图上看起来很简单;不幸的是，电路的实际性能取决于其印刷电路板（PCB）布局。此外，接地节点分析非常困难，特别是对于DC-DC转换器，例如降压和升压电路，它们用快速变化的大电流冲击接地节点。当接地节点移动时，系统性能会受到影响，并且系统会辐射EMI。但是，对接地噪声物理学的“扎实”理解可以为减少问题提供直观的感觉。

接地反弹会产生幅度为伏特的瞬变;最常见的是磁通量变化是原因。导线承载电流的环路本质上是一种电磁铁，其场强与电流成正比。磁通量与通过环路区域的磁场成正比，

磁通量∝磁场×环路面积

或者更准确地说，

ΦB = BA cosφ

其中磁通量，ΦB，是磁场 B，以与该区域的单位矢量φ的角度穿过表面环路区域 A。

看一下图1，可以理解与电流相关的磁通量。电压源推动电流通过电阻器并围绕导线环路。该电流与环绕导线的磁通量有关。要关联不同的数量，请考虑用右手抓住电线（应用右手规则）。如果你把拇指指向电流的方向，你的手指将沿着磁力线的方向缠绕导线。当这些场线通过环路时，它们的乘积是磁通量，在这种情况下定向到页面中。

图1.右手法则。

改变磁场强度或环路面积，磁通量就会改变。随着磁通的变化，导线中感应出电压，与磁通量的变化率成正比，dΦB/DT.请注意，固定环路和变化电流或恒定电流和变化环路区域（或两者兼而有之）都会改变磁通量。

例如，假设图 2 中的开关突然打开。当电流停止流动时，磁通量崩溃，从而在导线上的各处感应出瞬时较大的电压。如果电线的一部分是接地回路引线，则应该在地上的电压将尖峰，从而在将其用作接地参考的任何电路中产生错误信号。

图2.打开开关的效果。

通常，印刷电路板片电阻中的压降不是接地反弹的主要来源。1盎司铜的电阻率约为500μohm/平方，因此电流的1A变化会产生500μV/平方的反弹 - 这仅适用于薄、长或菊花链接地或精密电子产品。

寄生电容器的充电和放电为大瞬态电流返回地提供了一条路径。这些变化电流引起的磁通量变化会引起地面反弹。

减少开关DC-DC转换器接地反弹的最佳方法是控制磁通量的变化，方法是最小化电流环路面积和环路面积变化。

在某些情况下，如图3所示，电流保持不变，但开关会产生环路面积的变化，从而改变磁通量。在开关情况1中，理想电压源通过理想导线连接到理想电流源。电流在包含接地回路的环路中流动。

在情况2中，当开关改变位置时，相同的电流在不同的路径中流动。电流源是直流的，不会改变，但环路面积会发生变化。环路面积的变化意味着磁通量的变化，因此会产生电压。由于接地回路是该变化环路的一部分，因此其电压将反弹。

图3.

降压转换器接地反弹

出于讨论的目的，图3中的简单电路类似于图4中的降压转换器，并且可以变形为降压转换器。

图4.到高频开关，一个巨大的C文和 L麚看起来像电压和电流源。

在高频下，大电容（如降压输入电容）是C文—看起来像直流电压源。同样，大输出降压电感，L麚，看起来像直流电流源。这些近似值是为了帮助培养直觉。

图5显示了当开关在位置之间交替时磁通量如何变化。

图5.打开环路区域的影响。

大L麚电感器保持输出电流大致恒定。同样，C文保持大约等于V的电压在，因此由于输入引线电感两端的电压不变，输入电流也或多或少是恒定的。

虽然输入和输出电流大致恒定，但当开关从位置1移动到位置2时，电路中间部分的总环路面积会迅速变化。这种变化意味着磁通量的快速变化，进而引起沿返回线的地面反弹。

实际降压转换器由成对半导体开关组成，如图6所示。尽管每个图的复杂性都在增加，但由变化磁通量引起的地面反弹的分析仍然简单直观。

图6.半导体开关的基本原理保持不变。

磁通量的变化会在接地回路上到处感应电压，这一事实提出了一个有趣的问题：真正的接地在哪里？由于接地反弹意味着接地返回走线上的电压相对于某个称为接地的理想点反弹，因此需要识别该点。

在功率调节电路的情况下，真正的接地需要处于负载的低端。毕竟，DC-DC转换器的目的是为负载提供高质量的电压和电流。沿当前回波的所有其他点都不接地，只是接地回波的一部分。

由于接地位于负载的低端，并且由于改变环路面积是接地反弹的原因，因此图7显示了C的小心放置文通过减少环路区域的变化部分来减少地面反弹。

图7.小心放置 C文大大减少地面反弹。

电容器 C文将高端开关的顶部直接旁路到低边开关的底部，从而缩小变化环路区域并将其与接地回路隔离。从V的底部在在负载底部，环路面积或开关电流不会从一种情况到另一种情况发生变化。因此，地面回波不会反弹。

图8.不良布局会导致电流环路面积从一个开关外壳到下一个开关外壳发生较大变化。

PCB布局本身实际上决定了电路的性能.图8是图6中降压电路原理图的PCB布局。在案例 1 所示的开关位置，当高端开关接通时，直流流沿着外部红色回路。在案例 2 所示的开关位置，低侧开关打开时，直流流现在跟随蓝色回路。注意变化的环路区域，因此，变化的磁通量。因此，电压被感应并且接地反弹。

为了清晰起见，布局在单个PCB层上实现，但使用第二层实心接地层不会修复反弹。在展示改进的布局之前，图9给出了一个快速示例，说明坚实的接地层可能不是一个好主意。

图9.坚实的接地层并不总是一个好主意。

这里，构建了一个 2 层 PCB，以便将旁路电容器以直角连接到顶层电源线。在左侧的示例中，接地平面是实心且未切割的。顶部走线电流流过电容器，沿着过孔流出接地层。

由于交流电始终采用阻抗最小的路径，接地返回电流在返回电源的途中绕弯。因此，当电流的大小或频率发生变化时，电流的磁场和相关环路面积会发生变化，因此通量也会发生变化。电流沿着最简单路径流动的趋势意味着即使是固体片接地层也会反弹 - 无论其导电性如何。

在右边的示例中，精心规划的接地层切口会将返回电流限制在最小的环路区域，并大大减少反弹。在切割返回线中产生的任何残余反弹电压都与一般接地层隔离。

图10中的PCB布局使用图9所示的原理来减少接地反弹。设计了 2 层 PCB，使得输入电容器和两个开关都构建在接地层的孤岛上。

这种布局不一定是最好的，但它运行良好并说明了一个关键原则。请注意，由红色（情况 1）和蓝色（情况 2）电流包围的环路区域很大。但是，两个循环之间的差异很小。环路面积的微小变化意味着磁通量的微小变化，因此，地面反弹很小。（但是，通常也要保持较小的环路面积 - 此图旨在说明匹配交流电流路径的重要性。

此外，在磁场和环路面积发生变化的接地回波岛中，任何接地回波反弹都包含在切口中。

同样值得关注的是，输入电容，C文，乍一看似乎并不位于高边开关的顶部和低边开关的底部之间，如图7所示，但仔细研究会发现它是。虽然物理接近可能很好，但真正重要的是通过最小化环路面积来实现的电气接近度。

图 10.良好的降压布局在情况 1 和案例 2 之间的环路面积变化很小。

升压转换器接地反弹

升压转换器本质上是降压转换器的反映，因此如图11所示，输出电容必须放置在高端开关的顶部和低边开关的底部之间，以最小化环路面积的变化。

图 11.升压转换器意味着CVOUT放置至关重要，与降压转换器的C文放置至关重要。a） 糟糕的设计。b） 好的设计。

回顾

接地反弹电压主要由磁通量的变化引起。在DC-DC开关电源中，由于高速在不同电流环路区域之间切换直流电，因此磁通量会发生变化。但是，小心放置降压/升压输入/输出电容和手术切入接地层可以隔离反弹。但是，在切断接地层时要小心，以避免可能增加电路中其他返回电流的环路面积。

此外，良好的布局位于负载底部的真实接地，没有变化的环路区域或变化的电流。任何其他导电相关的点都可以称为“接地”，但它只是返回路径上的一个点。

地面分析的其他有用概念

如果您牢记以下基本思想，您将对什么会导致地面反弹和不会导致地面反弹有很好的感觉。图12显示，以直角交叉的导体不会发生磁相互作用。

图 12.以直角交叉的导体不会发生磁性相互作用。

平行导线周围的磁力线携带沿同一方向流动的相同电流，在导线之间的任何地方都抵消，因此总存储的能量小于单个导线的总存储能量。因此，宽PCB走线的电感比窄走线小。

图 13.电流沿同一方向流动的平行导线。

平行导体周围的磁力线携带沿相反方向流动的相等电流，在导体外的任何地方抵消，并在它们之间的任何地方增加。如果内环面积可以做得小，那么总磁通量，因此电感也会变小。这种行为解释了为什么交流接地层返回电流总是在顶部走线导体下方流动。

图 14.电流向相反方向流动的平行导体。

图15显示了拐角增加电感的原因。直导体看到自己的磁场，但在拐角处，它也看到来自直角导体的磁场。因此，拐角存储更多的磁能，因此比直线具有更多的电感。

图 15.为什么拐角会增加电感。

图16显示，导体承载电流的接地层中断可以通过转移返回电流来增加环路面积，从而增加环路尺寸并促进接地反弹。

图 16.返回电流采用阻抗最小的路径。

组件方向确实很重要，如图 17 所示。

图 17.组件方向的影响。

总结

地面反弹始终是一个潜在的问题。对于显示器或电视，它可能意味着嘈杂的图像 - 对于音频设备，背景噪音。在数字系统中，它可能导致计算错误，甚至导致系统崩溃。

仔细估计寄生元素，然后进行详细模拟是预测地面反弹幅度的严格方法。但为了引导电路设计的直觉，有必要了解其起源背后的物理学。

首先，设计PCB时，使负载的低端是真正的接地点。

然后，通过用电流和电压源替换大型电感器和电容器来简化电路动态。查找每个开关组合中的电流环路。使循环重叠;如果无法做到这一点，请小心地切出一小块地面回流岛，以便只有直流流入和流出开口。

在大多数情况下，这些努力将提供可接受的地面性能。如果没有，则考虑接地层电阻，然后以寄生电容的形式流过所有开关并向入返回路径的位移电流。

无论采用何种电路，基本接地原理都是相同的——需要最小化和/或隔离变化的磁通量。

审核编辑：郭婷