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熱迴路究竟是什麼?

本文作者:Frederik Dostal       點擊: 2020-03-04 12:58
前言:

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

On

Off

Off-time

Off

On


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2. 熱迴路中電流方向不同的各個線路。

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。
 

 

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