沃尔德实业浅谈升压PFC电路的Layout要领

PFC电路的工作原理是调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。

功率因数补偿不仅解决了电压和电流不同相位的问题，更为重要的是解决了因供电电流呈强脉冲状态而引起的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。

现代的PFC技术是针对非正弦电流波形畸变而采取的，迫使交流线路电流追踪电压波形瞬时变化轨迹，并使电流和电压保持同相位，使系统呈纯电阻性技术这就是PFC(功率因数校正)。

在整个PFC电路的设计中，布线是其重要一环，而布线设计过程难度较高，技巧较细、工作量较大，下面就由沃尔德实业小编就布线的要领进行重点介绍。

👉 电路特点如下图

开关回路电流 It 幅度较大，但一般没有尖峰毛刺，是拓扑产生的典型波形。

硬开关拓扑都有一个高频脉冲电流 Ip 回路，其幅度最大，且有尖峰毛刺，其中毛刺部分幅度大，频率高，因而含有较高的能量。它一般是由续流或者吸收（钳位）二极管反向恢复引起的冲击电流回路，是最容易引起干扰的元凶。

如图一所示四种电流对应流经一段地线，并可能在对应的地线段上产生干扰电位差。

下图不分割的话回路面积太大，这样就容易产生噪音，导致干扰问题。

Vnoise=Vag+Vgn+Vnd+Vde+Vej

Vnoise=Vdm_in+Vdm_out+Vej

良好的接地获得一个最小噪音的接地基准参照，避免额外噪音影响。

输入端是地，电容端也是地。不能接地的地方就是热点。热点分布范围最小化，同时热点屏蔽接地。

Vnoise=Vag+Vgn+Vnd+Vde

Vnoise=Vdm_in+Vdm_out

图一

如图一， 交流回路, PFC、PWM回路，整流回路,，滤波回路这四大回路包围的面积越小越好。

👉 要求

各回路中功率组件彼此尽量靠近。

功率线条(两交流线之间、正线与地线之间)彼此靠近。

功率线条(流过大电流的线条)要短而宽, 以降低损耗, 提高响应频率, 降低接收干扰频谱范围。

PFC MOS和漏极、MOS散热片必须接一次地，以减少共模干扰。

交流回路应远离PFC、PWM回路, 以减少来自后者的干扰。

双层PCB的上层尽可能用宽线，地线尽量布在上层。

多层PCB应用一层作为地线、一层作为电源线，以充分利用层间电容去耦，减小干扰。

PFC、PWM回路要单点接地. IC周边组件的地先接到IC地再接到MOS的S极, 再由S极引到PFC电容负极。

从图一可以看出，It 和 Ip 电流完全（不是部分）流经了各自对应的一个电容 Ci 和 Co。一般人很少去关注电容上流过的电流，而实际上这正是开关电源布局的关键之一。干扰都是通过电容被旁路的，整个电路最强劲电流都在电容上，电容很重要！

按照反应速度分，最快的器件是电容、二极管等器件，最慢的器件是电感等器件。

👉 Layout 要领一高频脉冲电流 Ip 回路最小化

电路的高频脉冲电流 Ip 回路，它一般都是由包括开关管在内的快速器件组成的环路，在布局上让它最小化（连线最短、面积最小，因而干扰最小）。

这个是整个开关电源布局的第一步,  这样连接后，ND两个地会合并在一起，形成一个点，这个点就是整个电路的接地中心。

👉 Layout 要领二开关电流 It 回路最小化

电路的开关电流 It 回路，它一般都是包含了一个电感的拓扑主回路的一部分，让它最小化。

注意

1、It 回路与 Ip 回路有部分重叠，因此 It 回路应该是在 Ip 回路基础上的延伸。

2、有时候这两个回路的布局有冲突，一般应以 Ip 回路为主。

3、如果 It 回路有个接地点，那么这个接地点应与上述接地中心重合，不能布置到一个点时，也要尽量缩短距离，同时留心这段地线上的 It 电流可能的影响。

4、条件受限时，上述2个回路的（输入输出）电容可能不能共地，必要时可以电气并联的方式就近增加一个（或两个可以共地的）高频电容达成共地。

画好这两个电流回路，这个PCB板布局的大致方位基本上确定了。现在再考虑控制在哪？输入输出在哪？

需要特别指出的是

1、这种布局是针对硬开关的，但是对软开关拓扑仍然有效，你总不希望自己的软开关谐振波形上再意外出现一个小波吧？

2、这种布局是针对硬开关的，它就是要让电路看上去更加符合理论波形，拿掉毛刺、拿掉尖峰。另一层意思是它会更硬一些（可能对EMC某些频段不利）。

3、从EMC角度，这种布局就是总体最优化结构，整体上最容易过辐射和传导测试。具体到某个板能不能过？按这样布局后的整改工作量和成本也是最小。

电气地 

大地是一个电阻非常低、电容量非常大的物体，拥有吸收无限电荷的能力，而且在吸收大量电荷后仍能保持电位不变，因此适合作为电气系统中的参考电位体。这种“地”是“电气地”，并不等干“地理地”，但却包含在“地理地”之中。“电气地”的范围随着大地结构的组成和大地与带电体接触的情况而定。

逻辑地 

电子设备中各级电路电流的传输、息转换要求有一个参考的电位，这个电位还可防止外界电磁场号的侵入，常称这个电位为“逻辑地”。这个“地”不一定是“地理地”，可能是电子设备的金属机壳、底座、印刷电路板上的地线或建筑物内的总接地端子、接地干线等;逻辑地可与大地接触，也可不接触，而“电气地”必须与大地接触。

大致有以下几种地线

1、数字地也叫逻辑地，是各种开关量(数字量)号的零电位。

2、模拟地是各种模拟量号的零电位。

3、号地通常为传感器的地。

4、交流地交流供电电源的地线，这种地通常是产生噪声的地。

5、直流地直流供电电源的地。

6、屏蔽地也叫机壳地，为防止静电感应和磁场感应而设。

图二

根据以上布局，图一地线上 G、N、D 三个点已经最大程度的合并成一个点了，这就是拓扑接地中心 GND。它的意义也很明确这个点以外的地线上应该已经没有大的脉冲电流了，地线基本上就安静了，板总体上也安静了。因此，主电路的其他部分桥在哪？输入输出端子在哪？怎么走线都问题不大了。

但仍然有意外情况

输出突然短路、或者输入在交流的高电压90°角突然开机，电容 Co 和 Ci 呈短路运行工况，可能在地线的 GND-E 或者 A-GND 段上产生非常强大的电流和高达足以烧坏芯片的电压差(可能十几伏或更高)。有不少人开机或者短路就烧芯片（其他不烧），多半是这里没处理好。

拓扑的布局处理完了，现在是控制部分。根据以上布局，已经知道了接地中心，同时也能够看出来开关的驱动脚在哪个方向，就可以就近布置驱动和控制电路了。  

开关电源的所有操控，最终都由对开关管的精确驱动来体现，因此驱动环路要优先布置。目的只有一个保持驱动波形的正确和纯粹。

图三

需要注意的是

1、这个电流环路应包含驱动电路的 Vcc 滤波电容 Cg 通道在内，因为驱动电流本质上就是该滤波电容 Cg 的输出电流。这个电流（脉冲成分）是很大的，一般是安培级，至少是亚安培级，几乎与拓扑电流相当。

2、这个滤波电容 Cg 必须贴近驱动 IC 的供电端子布置，这是因为驱动 IC 内部的电路和号可能非常复杂和敏感，完全要仰仗这个电容来撑住。这一布线原则对任何一个芯片（电路）都适用，即每个 IC 的 Vcc 滤波电容无一例外的都必须就近连在该芯片的 Vcc 和 Gnd 引脚上，没得商量。      

3、这样布置下来后，一般会形成 Rg 连线和 GND-gnd 两条连线，两条连线在环路电流 Ig 上是等效的。这意味着改变其中任意一条连线上的电流波形，都将改变驱动电流波形，使其不再纯粹。这还意味着 GND-gnd 可能会拉开距离，这就形成了第二个接地中心 gnd。

👉 Layout 要领三一点接地

GND 即驱动电路的滤波电容 Cg 的接地端，它可能与拓扑接地中心 GND 拉开距离。图三所示，所有弱电单元的地线应在此一点接地，再连接到 GND。为什么要这样接？原因有以下几点

1、首先，辅助电源的电流 Iv 是最大的（也可能是安培级），而且跟 Ig 刚好反向（它是 Cg 的输入电流），如果其接地点不连接到 gnd（控制地），比如接到 GND（电源地），势必会在 GND-gnd 连线上形成 Iv 电流回路，使 Ig 叠加上 Iv，导致驱动电流波形畸变，即驱动被供电干扰。 基于这个原因，驱动电路的滤波电容 Cg 的 VCC 端的输入输出连接也需要分开走线。

2、其他电路单元的电流一般很弱，如果连接到其他地方，则会使 GND-gnd 连线上较强劲的 Ig 脉冲电流叠加到自己的地线上，即控制被驱动干扰。

3、同理，其他各个电路的地线，无论多么绕，均应分别走线到GND 一点接地，否则，除了可能因上述 Ii、Io、Ip、It、Ig、Iv 等强电流窜进自己的地线形成干扰外，还可能通过共用地线相互干扰。

如图四所示是理想的单点接地，但实际画板很难实现理想的单点接地。借助旁路电容可以将接地点分开使某些电路自成环路（例如IC旁的去耦电容、数字环、模拟环、功率环等），单点接地就是保证每个环只能有一点与地线连接。

如果环路中出现图五中的多点接地，在此处就有可能形成干扰源，而采用单点接地的环路之间互相不影响。

图四

图五

为什么需要PFC？

👉 PFC电路其有显著如下好处

校正感性/容性负载的电流相位

降低电力线上消耗无用的功率

消除由传统整流滤波电路中的滤波电容对电网产生的窄而陡的电网电流脉冲

现在国家强制要求 75瓦以上电源应搭载PFC电路，所以良好的PFC电路设计很重要。与此同时将良好的设计转化成产品的Layout也就自然变得很重要。

在PCB布线和布局中有很多诀窍及关键知识点，这需要长时间地琢磨与实践。小编把多年积累的一点心得贡献给大家以供探讨，不足之处敬请指正！感兴趣的小伙伴可以关注一下沃尔德实业哦~