技术博客
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SCT9336热敏票据打印机应用
1 热敏票据打印机电路结构 图 1 适配器间接供电型热敏票据打印机 打印机头一般由耐热电阻和陶瓷加热片组成。打印时,相应的加热电流流过耐热电阻将电能转换为热能,陶瓷加热片接收该热能并与热敏打印纸接触实现打印。 同时,由于打印图片或文字的非连续性,以及热敏打印纸在打印过程中不断向外传动、输出打印纸张,因此输入热敏打印机头加热电流为脉冲电流。 2 SCT9336在热敏票据打印机应用的方案 DC/DCSCT9336SCT2330, 2 图 2 芯洲科技方案 图 3 SCT9336方案原理图 3 SCT9336方案的设计注意事项 由于热敏票据打印机的负载为脉冲电流负载,在电路设计中应注意如下四点: 1. 建议选择不小于15uH,注意电感饱和电流的选取。 2. 针对24V适配器热敏票据打印机的应用,推荐加入SW吸收电路。该吸收电路可以依据实际电路中SW振铃程度具体选择。本方案推荐SW吸收电路由2Ω电阻和4.7nF, X7R或者X5R陶瓷电容串联构成 (Rs, Cs)。同时,建议加入一个10Ω BOOT 电阻 (R4)。 3. 针对12V适配器热敏票据打印机的应用,SW吸收电路和BOOT电阻可以根据SW振铃的实际情况,选择保留或者删除。 4. UVLO电阻 (Re1和Re2)可以用来设置SCT9336电路的启动和关断电压。如果系统无特殊要求,UVLO可以移除。设置方式如下: =VStartVENFVENR-VStopI11-VENFVENR+I2 (1) =3ENFV-V+RI+I (2) 这里: • Vstart: SCT9336启动门限 • Vstop: SCT9336关断门限 • I1=1.5uA • I2=4uA • VENR=1.18V • VEMF=1.1V 图 4. SCT9336 EVM PCB版图 良好的PCB 版图是保证该方案稳定、高效工作的关键点。PCB板上的寄生电感在高速开关的电流或者电压通路上产生噪声干扰,进而影响性能。为了更好的性能,请按照下面的版图指南进行布线: 1) 功率地布线非常关键。黄金规则是最小阻抗布线和功率均匀散开布线。充足的地布线将优化热性能,反之将造成区域过热。 2) 将一个小ESR 的0.1uF陶瓷电容放置在离VIN引脚和地之间,越近越好。以此降低寄生影响。 3) 为了让IC良好的全负载工作,表层地必须提供足够大的散热区域。同时,表层SW回路需要最小阻抗。 4) 底层布大区域地,通过过孔与表层地相连。热焊盘区域需要多个过孔直接与芯片热焊盘以及底层地相连。芯片的中心热焊盘同时为芯片GND,应该始终牢固稳定的与PCB板相连。散热盘与PCB板不良好的焊接,将会导致SW更高的振铃和功率管击穿的风险,同时存在热性能降低的风险。推荐使用8mil直径的散热过孔。 5) 输出电感放置与SW PIN脚越近越好。 6) 反馈电阻应当连接到模拟小信号地上,该模拟小信号地为独立地区域,单点与GND PIN脚相连而不与任何大地(Power GND)连接。 7) 为了保证顶层地尽量完整,BOOT 电容布线通过过孔经底层布线回到顶层,不在顶层直接布线。 4 引用 1. 详情请参考:SCT9336STER 2. 详情请参考:SCT2330TVBR
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Buck电路传导EMI的抑制
1 传导电磁干扰简介 1.1 传导电磁干扰概述 传导电磁干扰指通过导体进行传播从而干扰其他系统的电磁干扰,任何导体如导线、电感、电容都是传播传导干扰的通道。对于开关电源,Buck的输入、Boost的输出、Buck-Boost的输入和输出都会产生不连续电流,不连续电流会导致电路产生电压尖峰,电压尖峰通过PCB走线和导线会传导到各个系统从而导致干扰。电磁干扰的模型可以简单的等效为3个部分:干扰源,传导路径,和接收端。以SCT2450在车机中的应用为例,干扰源为用SCT2450搭建的Buck电路,其传播路径为PCB走线及导线,接收为供电端和其他应用电路。在进行传导EMI测试时,干扰源为测试设备(DUT),传导路径为导线,接收器为传导干扰测试设备(LISN)。 传导电磁干扰信号可分为差模信号(DM)和共模信号(CM)两种,在进行EMC提升和设计的时候要对两种信号进行区分并针对不同的信号进行相应的处理。图1为测量传导EMI的图解。 图 1 传导EMI测试图解 1.2 传导电磁干扰测试标准 常见的EMI标准有欧洲标准(EN),美国标准(FCC),国际标准(CISPR)。这些标准对于不同的应用市场有相应的针对性EMI标准,具体情况如表1所示。 表1. 主要产品类别传导EMI标准 产品分类 EN标准 FCC 标准 CISPR标准 汽车 EN 55025 - CISPR 25 多媒体,消费类 EN 55032 Part 15 CISPR 32 工业,科学和医学 EN 55011 Part 18 CISPR 11 家用电器,电动工具 EN 55014-1 - CISPR 14-1 照明设备 EN 55015 Part 15/18 CISPR 15 不同标准对应的传导干扰限值不同,且测试频率范围也不尽相同。具体情况请查看相应标准手册。以最常见的EN55032为例,传导干扰频率测试范围在150K到30MHz。需要注意的是,在2017年3月5日之后,之前使用特别广泛的EN55022被纳入EN55032标准。EN55032分为Class A和Class B两个标准。用于居住环境的产品需要通过更严格的Class B标准,其他则只需通过Class A标准。图2为EN 55032传导EMI辐射限值标准。 图 2 EN 55032 传导干扰限值标准 2 传导电磁干扰的产生 在开关电源中,开关管周期性的通断会产生周期性的电流突变(di/dt)和电压突变(dv/dt),周期性的电流变化和电压变化则会导致电磁干扰的产生。传导电磁干扰噪声可分为差模噪声和共模噪声两种。图3所示为Buck电路中差模噪声和共模噪声路径。差模噪声电流回路与电源电流相同,因此输出电流和返回电流是反向的。一般认为差模噪声是“电流驱动”噪声,是由电路中的电流变化(di/dt)产生。共模噪声电流则是通过寄生电容,从电源线流向机壳等导体,从而形成回路。因此共模噪声的电流在电源线是同向的。一般认为共模噪声是“电压驱动”噪声,是由电路中的电压变化(dv/dt)产生。 图 3 Buck电路中的差模噪声和共模噪声 2.1 差模干扰的产生及分析 差模噪声由电路中的电流变化(di/dt)所产生。图4所示为Buck电路的电流变化,可见在Buck电路中上管电流和下管电流是突变的。这些突变电流便是差模干扰产生的源头。这些干扰电流通过电源线注入LISN,由频谱仪绘制出传导噪声曲线。 图 4 Buck电路中的电流变化 图5为Buck上管电流的频域分析图。开关电源中的周期性di/dt信号其频域噪声主要集中在传导EMI测试的频率范围。这个噪声是开关电源特性所致,它的产生是无法避免的。但是可以通过加输入电容和输入滤波电路在传播路径上对噪声进行抑制,以下会详细论述。 图 5
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SCT12A3 输出自适应调压(AAO)在蓝牙音箱的应用
蓝牙音箱电源树概述 图是一款常见()的效率曲线。由此可见,越高电源电压在同等输出功率下工作效率越低。由于输入为音频信号,输出同样为放大的音频信号,实际输出信号幅值是变化的正弦波。如果该的电源电压能够根据实际的输出功率变化来变化,则可以提高的效率,从而延长电池的续航时间。根据图曲线,尤其在轻载的条件下,降低的电源电压,效率提升明显。基于该目的,提供了自适应的输出电压,根据输出功率动态调整的电源电压,从而延长电池的续航时间。 图 2 TPA3116 效率曲线 R_AAO=(1000000*Vin)/(V_out1*I_out) (1) 图5是根据典型的输入,输出得出的RAAO与输出电流的关系曲线。不同的输入电压,输出,曲线会相应不同,应用时需要实际计算。 图 5 输出电流 Vs. RAAO电阻值 VOUT2与VOUT1的关系由MODE管脚上的电阻值来决定。根据表1中MODE管脚电阻选择设定VOUT2 与VOUT1的关系。 表 1: MODE 电阻值选择参照表 举个例子,设定VOUT1=9V, VOUT2=13.5V,输出电流跳变阈值为1.2A。MODE选择120kOhm, RAAO=300kOhm。图6为实际测量曲线,根据输出功率变化,从VOUT1跳变至VOUT2上升沿响应非常迅速,响应时间小于300us,因此不会影响音质。当负载变轻时,在一定的延时后,VOUT2下降时缓慢下降以保证人耳的听觉效果不受影响。该延时由CAAO管脚电容设定,CAAO提供1uA的充电电流, 1uF的电容设置1.5s的延时。 图 6 SCT12A3 自适应调压输出 4
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电源PCB布局注意事项总结
1 介绍 随着时代的发展,工业,车载,通信,消费类等产品都提出了小型化,智能化的需求。相应的,对于这些系统中的电源模块提出了小型化的要求。通常,我们对于电源的期望是第一次上电工作正常,同时不存在温升过高和噪音的问题。然而事实情况是经常会出现电源不稳定,存在异音。引发异常的原因有很多,比如原理图设计有误,补偿参数设计不合理,输出电容选择偏小,电感饱和电流偏小等等。在众多原因中,布局不合理是常见的原因,特别是在对电源提出小型化的要求背景下。本文针对电源的布局,总结了整个流程中的注意事项,供电源工程师参考。 2 PCB设计注意事项 电源的位置选择1 同时,如果系统有风扇散热,降电源放置在离风扇附近,有助于散热,降低电源的散热压力,提升电源效率。为了保证风扇散热的有效性,需要保证高的无源器件例如电感,电解电容等不会阻挡住矮的有源器件例如MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor),PWM控制器(Pulse Width Modulation Controller)等被风扇吹到。 在多层板设计中,强烈建议在大电流层和敏感的小信号层之间加一层地或者直流电压层,例如输入电压或者输出电压。地层或者直流电压层能够有效的把敏感的小信号和功率回路进行隔离,防止对小信号产生干扰。对于地层或者直流电压层布局,基本原则是尽量少走线,保证整个层是一个整体,不被切割。必须要走线的话,也要保证这些线和功率层的大电流布线方向一致,尽量减少干扰。 的电容耦合,小信号容易受到影响,在传递中失真。改成右侧栏的设计之后,不存在这样的问题。 开关电源电路由功率回路和小信号控制回路组成。功率回路包括流经大电流的器件,例如电感,电容,管等,这部分器件需要优先布局。小信号控制回路包括反馈电阻,补偿网络,频率设定,过流设定等等,这部分器件一般放置在电源特定的位置。 由于功率线路流过的电流较大,如果线宽太小,会造成线路损耗增加,PCB温度升高,系统效率下降,甚至电路无法正常工作。公式 1适用于电流有效值从1A到20A的线宽计算,其中W是线宽,单位为mil,I是电流,单位为A,Tcu是PCB的铜重量,单位是OZ。以5A电流,1OZ的铜重量为例,那对应的最小线宽是120mil。 W=(-1.31+5.813*I+1.548*I^2-0.052*I^3 )*2/T_cu 公式 1 2.3.2 大电流变化率的回路布局 所有的元器件,包括PCB走线都会存在寄生电感,寄生电容和寄生电阻。而大电流变化率会在寄生电感上产生电压尖峰;电压尖峰会增加元器件的耐压要求,同时向外传播干扰,降低EMI(Electro Magnetic Interference)测试通过的可能性。为此需要减小大电流变化率回路的面积,首先需要识别出这样的回路。 图 1 Buck电路基本结构 图 2 Buck电路大电流变化率回路 如图 2所示,蓝色部分为Buck电路大电流变化率回路,需要确保这个回路的地和地平面分离,单点连接。回路中的高频去耦电容一般取值范围在0.1uF到10uF,类型为X5R或者X7R的陶瓷电容。高频陶瓷电容的特点是寄生电感和寄生电阻小,能够给大电流变化率的电流提供良好的路径。 图 3 Buck电路大电流变化率回路布局示例 给出了Buck电路大电流变化率回路布局示例。首先,尽量将所有的功率器件放置在PCB的同一面,PCB的功率走线放置在同一层,这样可以减少线路的阻抗,减少过孔的数量。如果一定要在不同层进行功率线布局,选择连续电流的路径放在另外的PCB层,同时放置足够多的过孔。 和Buck电路类似,对于Boost电路也可以采用一样的方法进行分析和布局。图 4,图 5分别出给了Boost电路的基本电路结构,大电流变化率回路和布局示例。 图 4 Boost电路基本结构 图 5 Boost电路大电流变化率回路 图 6 Boost电路大电流变化率回路布局示例 所示,电感L1和SW的距离较近,SW节点铜皮的面积在保证散热的前提下尽量小,降低噪声的传播能力。BST和SW相连的环路控制在最小,这也得益于芯洲科技在设计芯片时就考虑到该问题,将SW和BST布局在相邻管脚。 图 7 SCT2360 12V输入 5V输出 6A负载原理图 图 8 SCT2360布局示例 2.3.4 高频滤波电容布局 高频滤波电容是一个非常重要的器件,这里单独拿出来说明其布局注意事项,其中的原则对其余器件也是适用的,但是由于高频滤波电容在给大电流变化率回路提供通路,降低电压应力等方面有着重要作用,所以以此为例。以SCT2360为例,如图 8所示,电容C3放置在离VIN最近的地方,直接通过短而粗的线相连。 高频滤波电容布局示例(无过孔) 高频滤波电容布局示例(有过孔) 控制电路需要远离噪声源,即大电流变化率回路和大电压变化率节点。对于电路,控制电路推荐放在靠近输出电压侧,对于电路,控制电路推荐放在靠近输入电压侧,这是因为这两个区域的电流是连续的,电压是稳定的。如果面积足够,确保控制芯片远离管和电感。无法满足该条件时,需要在控制电路和功率器件之间加上足够的地平面或者地线进行隔离。 2.4.2 模拟地和功率地连[2] SCT23608AGNDPGNDVCCFBENAGNDPGNDAGNDPGNDPCB 2.4.3 控制芯片滤波电容及参数设置电路 控制芯片很多管脚会有滤波电容,例如供电管脚VCC,参考电平管脚REF,补偿网络的电容,分压电阻的前馈电容等。这些电容的推荐布局和2.3.4中的高频滤波电容一致,需要靠近各自的管脚,直接通过走线连接,尽量避免采用过孔的方式。如果采用过孔,至少打两个过孔以减小寄生参数。控制芯片的频率设置电阻,模式设置电阻,使能设置电阻,缓起动电容等也应该放置在离其管脚相近的地方,但是优先级没有之前的滤波电容高,当有冲突时,优先考虑滤波电容有更好的位置。 大电压变化率的线路会通过寄生电容耦合电流到靠近的敏感信号线,为了削弱这种干扰,需要将敏感信号线远离不断进行开关的线路。在多层板中,可以将敏感信号线和不断开关的线路放置在不同的层,中间加一层地平面进行隔离。以为例,参考图 ,,是大电压变化率的节点,而,,是敏感信号节点,需要将这两组线互相远离。 图 9 SCT52240布局示例 SWBST
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大电流电源上管应力的产生机理与优化措施
2 仿真电路模型 3.1 3.2 3.3.2 的影响 旁路电容3.4 电压应力测试点与的电压应力 在测试电压应力时,由于差分探头难以刚好点在芯片的管脚上,一般都尽量选择在靠近芯片管脚的位置测试。在大电流的应用场合会产生测试点的测试电压与芯片管脚电压应力不一样的问题,下面对这种情况做了相关的仿真分析,如图 14所示,把L3拆分为两部分,C3到测试点和测试点到芯片管脚 。 详情请参考:SCT2280FPAR
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异步Buck升级为同步Buck注意点总结
1 介绍 随着时代的发展,工业,车载,通信,消费类等产品都提出了小型化,智能化的需求。相应的,对于这些系统中的电源模块提出了小型化的要求。目前,市场上依然存在很多异步Buck电源管理芯片使用的场景,针对这些应用,采用同步Buck电源管理芯片进行升级,可以增加集成度,提升电源效率。然而在升级替换的过程中,需要注意PCB的布局。如果需要不更改PCB布局直接升级替换,需要在元器件选择上有所注意。 本文首先对同步Buck,异步Buck进行介绍,给出同步Buck的PCB布局注意事项,然后结合实例给出替换中可以采取的保证电源正常工作的方法,供工程师参考。 2 同步Buck和异步Buck 图 1 异步Buck变换器 图 2 同步Buck变换器 图 2所示,异步Buck变换器采用肖特基二极管作为续流管,而同步Buck变换器用MOSFET替代肖特基二极管进行续流,由于MOSFET的导通电阻很低,所以导通损耗较低,而肖特基二极管的损耗为其正向导通压降乘以电流,损耗较大。 表格1 同步Buck和异步Buck优缺点对比 Buck 异步 效率高,SCT2432为例 ],同步整流管导通电阻为4A电流时其压降为 价格便宜,同等条件下,肖特基二极管比 缺点1. 成本高, 效率低,二极管正向导通压降固定,锗管一般为0.7V。当流经二极管的电流较大时,二极管损耗占比大 对效率要求高的应用 图 3 SCT2432典型应用原理图 同步布局注意事项 图 4和图 5所示,在功率管关断期间,异步Buck通过外置的二极管进行续流,在这个阶段,芯片内部的地受到的干扰较小;而对于同步Buck,在这个阶段,续流电流流经芯片内部的地,芯片内部地受到的干扰大。异步Buck对于续流二极管的开通不需要控制,而同步Buck需要对同步整流MOSFET进行控制,如果地电平不稳定,会影响内部控制电路工作。同时,Buck电路在开关切换时,大的di/dt在PCB的寄生电感上会产生压降,形成谐振,而MOSFET的体二极管的反向恢复特性较差,不能像肖特基二极管那样快速恢复。因此,对于同步Buck的布局,地的设置需要区分模拟地和功率地,两个地实现单点连接。 图 4 异步Buck变换器工作 图 5 同步Buck变换器工作 图 6 同步Buck变换器工作 此外,由于同步Buck电源管理芯片将同步MOSFET集成到芯片内部,热更加集中,需要对散热合理规划。首先,将芯片放置在离热源较远的位置;其次,在顶层的地需要足够大,保证散热效果,地层放置地平面,芯片的散热焊盘下面打过孔阵列,保证对地平面的阻抗足够低,推荐采用直径为8mil的过孔。为了保证顶层的地面积足够大,Boot电容的走线可以放置在非顶层。 输出电感放置在离SW管脚近的位置,同时保证两者之间的连接线短而粗。输入的滤波电容放置在离VIN管脚和GND最近的位置,最大化减少寄生参数的影响。 4 同步Buck直接替换异步Buck工作异常解决方法 在同步Buck替换异步Buck时,存在不改PCB,直接P2P替换的情况。此时,如果PCB布局不合理,是存在替换完无法稳定正常工作的情形的。对于这样的情况,我们可以采取以下几种措施进行尝试,有机会不改PCB也能实现电源正常工作。 图 7 不合理布局示例 图 7是一个不合理布局示例,可以看到输入和输出电容分别位于散热焊盘的两边,反馈的地和功率地直接相连,功率地和模拟地没有分离。图 8是在这种布局情况下满负载工作的波形,可以看到输出电压是稳定的,但是SW点的开关波形是不稳定的,电路处于次稳态。 4.1 反馈下分压电阻并联1nF电容 图 8 24VIN,5VOUT,3.5A输出电流波形 4.1 反馈下分压电阻并联1nF电容 在反馈下分压电阻旁并联1nF对地电容可以提升抗干扰能力,图 9是增加电容后的工作波形,可以发现SW的波形不再存在大小波的情况,工作频率稳定。 图 9 增加1nF对地电容后24VIN,5VOUT,3.5A输出电流波形 4.2 减小反馈分压电阻 PCB是分压电阻改为原来的十分之一后的工作波形,表明系统进入稳态。推荐的下分压电阻最小值不要小于Ω,否则增加的固定损耗过大,影响电源整体效率。 图 10 将反馈分压电阻从53.6k/10.2k减小为5.36k/1.02k后工作波形 5 总结 本文介绍了同步Buck和异步Buck的结构,对两者的优缺点进行了对比,同步Buck对于提升效率,提升产品效能有较大的作用。同时针对同步Buck替换异步Buck的趋势,详细介绍了PCB布局时的注意事项,最重要的是进行模拟地和功率地的区分,采用单点接地模式。对于不合理PCB布局直接升级替换的情况,给出了增加下分压电阻并联1nF电容和减小分压电阻阻值的方法进行调整,有助于工程师减小工作量,快速实现非同步方案转同步方案。 6 参考 1) SCT2432STER
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