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降压转换器 PCB设计配置五项步骤

发布时间 :2017-09-21 10:46 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
切换模式电源(SMPSs)若想兼顾效能与稳定性,印刷电路板(PCB)配置格外重要,却常未受重视,配置若是出错,将会导致种种问题,例如输出电压稳压效果不佳、切换异常,甚至是装置故障。由于修理过程常得调整 PCB设计,应尽可能避免此类问题发生,不过如果在订购 PCB之前,能够先花时间思考配置流程,这些缺点即可轻松克服。本文介绍五项简易步骤,协助各位下回设计降压转换器的 PCB设计配置时,能够迅速淮备好生产原型。
 
设计服务器、平板电脑、电子终端机时,若希望风险能降至最低,最好能直接复制评估模组或产品说明书中的 PCB设计配置范例,但许多原因都会形成阻力,本文为此详述 PCB设计配置的五个步骤,适用于任何 TPS62xxx 内建开关的降压转换器。内部 MOSFETs 与内建回路补偿电路可降低 PCB设计配置所需难度与时间,进而大幅简化装置内的 PCB设计配置。做为范例的 TPS62130A降压转换器弹性极佳,可用于上述任一应用,图一为典型电路的完成简图。
电压从 12-V 降至 3.3-V 所用的 TPS62130A 电路
图一 电压从 12-V 降至 3.3-V 所用的 TPS62130A 电路
 
第一步:设置与连结输入电容
降压转换器若要稳定运作,输入电容是最重要的单一元件,因此在配置顺序上应仅次于晶片,且应立刻连结电容与晶片,避免路径受到阻碍,由于 V= L×dI/dt 的切换,在电源与接地的输入电容终端之间产生额外寄生电感,以及晶片的 PVIN 与 PGND 终端之间出现过量电压突增,都可能导致晶片故障。
依据制造原则,尽可能缩短输入电容与晶片的配置距离,并以平面连结输入电容终端与晶片终端,因为平面连结又宽又短,可降低走线电感;增加通孔连结系统输入电压与接地,不过因为重要性较低,可留待第五步再执行。图二示范输入电容与晶片正确配置及连结方式,以TPS62130A 的脚位为基础(U1 与 U11),输入电容共有两项可接受的配置方式(C1 与 C11),晶片的接脚一位于右下角。
降低电压突增的晶片与输入电容配置与电路
图二 降低电压突增的晶片与输入电容配置与电路
 
第二步:设置与连结电感与 SW 节点缓冲
电感与 SW 节点缓冲 (若有需要) 的配置与连结也很重要,有时电路板内需要设置缓冲电路,藉由减缓 SW 节点的升降时间,减少 SMPS 的电磁干扰,但也因此增加切换损耗与降低效能。SW 节点电压从输入电压至接地的升降时间非常短,也是 SMPS 的电磁干扰主要来源,现代SMPS 通常内含减少电磁干扰的技术,例如此时在 PCB设计配置中设置电阻/电容(RC)缓冲,建立SW 与 PGND 接脚的最短连结,也将寄生电感降至最低。[1]
为减少辐射 EMI,让电感尽可能接近晶片,SW 节点铜片尽量减少,连结至 SW 节点的铜片为寄生电容,此项电容为杂讯藕合路径,因为缩小 SW 节点尺寸,电容片与藕合能降至最小;依据需求旋转电感,不仅能缩小 SW 节点尺寸,亦便于连结至输出电容(第三步)。图三说明从 SW至 PGND 的范围内,在有无 RC 缓冲(R14 与 C15)条件下的电感适当配置点(L1 与 L11)。
为降低 EMI 的电感与 RC 缓冲配置及连结
图三 为降低 EMI 的电感与 RC 缓冲配置及连结
 
第三步:设置与连结输出电容与 VOS 接脚
输出电容为电源元件连结的最后一项(内部 MOSFET、输入电容、输出电容、电感、非必要缓冲),这是系统连结至电源接地终端的最后元件,以缩短电感连至电源接地的距离,输出电容若配置不当,常会造成输出电压稳压效果不佳。
每项电源元件设置及连结时,都希望路径愈短愈好,回路区域缩小可提升 SMPS 运作,且其中不应使用任何通孔,因为通孔会大幅提高走线电感,在特定案例中,SW 节点连线可能会使用通孔,请见文末的特殊考量。
 
VOS 输入接脚是最重要的小讯号连接,若是处理不当或杂讯太多,可能导致输出电压稳压不良、切换跳动,甚至是晶片故障,经过连线安排后,VOS 接脚的重要性优于其他讯号路由,VOS 接脚走线应简短,并直接连至输出电容,因为 TPS62130A 具备接脚,可用两项通孔与专用走线,连接 VOS 接脚与输出电容,因此优于电路内其他电源元件。
为降低杂讯拾起,两项通孔应与其他连接隔绝,只接触 VOS 接脚与顶层的输出电压平面。不要将 TPS62130A 的 VOS 接脚直接连至顶层,否则会影响更重要的 PGND 连接。图四说明 C2与 C12 输出电容的适当设置及连结方式,以及底部 VOS 接脚连结的适当途径。
输出电容与 VOS 接脚稳压良好的 PCB 设置及路径
图四 输出电容与 VOS 接脚稳压良好的 PCB 设置及路径
 
第四步:设置与连结小讯号元件
类比及数位元件只要与电源转换无直接关联,均可称为小讯号元件,例如 FB 接脚分压器、软启动电容,以及所有小数值的去藕电容(如 0.1 µF),相较于电源元件及其节点会产生杂讯,类比小讯号元件对杂讯很敏感,让每个元件设置点接近晶片,并使用直接且短的路径,可降低杂讯敏感度。
FB 节点尺寸更要尽量缩小,以减少杂讯拾取,并提供良好输出电压稳压;使用共同类比或宁静接地,将所有元件设置在 PCB 的同一侧,降低连结难度。小讯号元件若设置不良,常见问题包括输出电压稳压不佳、软启动不稳定、装置运作问题等。
EN 及 PG 接脚电路等数位讯号的设置及连结重要性最低,因此可最后再进行,数位接脚的阻抗源极通常很低,上拉电阻或下拉电阻可设置于讯号路径各处,不需接近 SMPS。图五说明小讯号元件的适当设置及路径,包括 FB 电阻(R1、R2 及 R11、R12)、SS/TR 电容(C4 与 C14)、AVIN 去藕电容(C3 与 C13)、PG 接脚上抗电阻(R3 与 R13)。
 
第五步:制作单点接地,连结至系统其他区块
接地设计一定要参考产品说明书的建议,代表杂讯较多的电源元件设有一项接地,较宁静的小讯号元件另设接地,若遵循上述建议及步骤,相关设置作业已完成。接下来,两项接地会在同一点交集,通常位于晶片下方的散热片,而散热片也应接地。
数位与小讯号元件配置及路径
图五 数位与小讯号元件配置及路径
 
以图五为例,接地唯一需调整处,只有在 PGND 接脚及散热片之间加上铜片,TPS62130A 产品说明书里,更进一步强制要求这项连结,否则可能产生杂讯问题,例如输出电压稳压不良,或是数位输入接脚的逻辑等级不足,这些问题都是操作时接地之间电压位移所致,接地若能妥善连接,亦可增进装置散热能力。
 
接地设计完成后,必须将此电路连接至系统其他区块,例如透过通孔完成,因为输入电压、输出电压及接地一般都连至内部 PCB 层的平面,再抵达各个电路,通孔从接地开始,最好设置在晶片正下方,则散热片可将热能传导致 PCB 层,以达到晶片最佳热能表现。
通孔一般也位于输入及输出电容的接地终端,通常不建议在安静接地元件的系统接地平面里设置通孔,因为可能导致网路内出现接地平面的杂讯,这些接地最好直接连回 AGND 接脚,做为导热片的单一连接点。
若要将输入与输出电压连回系统,也需要通孔,通孔最好能设计于电路之外,而非输入电容与晶片之间,以免阻挡元件之间的重要路由,若要计算通孔的必要数量,基本原则为每安培电流使用一个通孔,不过若空间许可,通孔愈多愈好,配置成品如图六。
使用通孔及单点接地的 PCB 成品配置及路径
图六 使用通孔及单点接地的 PCB 成品配置及路径
 
特殊考量
请记得阅读装置说明书,以了解特定建议配置及范例,对多数装置配置而言,其中说明与范例均已足够,在 TPS62360 等晶圆晶片级封装(WCSP)里,偶尔会出现令人困惑的配置,在许多WCSP 降压转换器中,晶片接脚将 SW 接脚置于 VIN 与 PGND 接脚之间,若遵循第一步,除非 SW 接脚从输入电容下方绕道,否则输入电容将挡住 SW 接脚,有些设计人员排斥这种作法,
因为走线必须相当薄,才能在输入电容等小元件终端之间相连,如图七。
TPS62360 的 WCSP 封装建议配置 [2]
图七 TPS62360 的 WCSP 封装建议配置 [2]
 
理想的 PCB设计配置方式是将 SW 接脚连结至输入电容之下,如图七,SW 走线既薄又短,确保SW 节点尺寸轻巧,在第二步骤之后降低电磁干扰。
若无法建立此项走线,则可利用通孔连结 SW 接脚与电感,虽然这项通孔与较长连结会产生额外电磁干扰,但因为寄生电感与其他电感串联,故这些通孔增加的电感影响不大,相较于移动输入电容的理想位置,建议在此路径使用通孔。
 
结论
设计 SMPS 的 PCB设计配置时,请务必参考装置说明书与评估模组内的范例与建议,若无法完全复制或无可参考依据时,可藉由五项简易步骤,制作优质的降压转换器:
1. 设置与连结输入电容;
2. 设置与连结电感与 SW 节点缓冲;
3. 设置与连结输出电容与 VOS 接脚;
4. 设置与连结小讯号元件;
5. 制作单点接地,连结至系统其他区块。
若遵循上述步骤,将为服务器、平板电脑、电子终端机等使用降压转换器的系统,提供健全设计与优越表现。


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