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实现降压型转换器出色 PCB 布局的五个步骤

在实现正确的性能与可靠性的过程中 印刷电路板 (PCB) 布局是一项至关重要然而却未得到充分认识的步骤 对于开关模式电源 (SMPS) 而言尤其如此。本文介绍了五个简单的步骤 其可确保您的下一款降压型转换器的 PCB 布局具备稳健性 并为原型设计做好准备。

当设计服务器 平板电脑 或电子收款机时 风险最低的最优方法选项是简单地拷贝评估模块 (EVM) 上提供的 并且在产品手册中给出的 PCB 布局示例 然而由于种种原因 这种做法或许并非总是可行的 本文就是专门针对此类场合而撰写的 其详细介绍了一种 5 步程序 可用于设计适合任意 TPS62xxx 集成型开关 降压型转换器的上佳 PCB 布局 通过降低 PCB 布局的难度和减少 PCB 布局所需的时间 内部 MOSFET 和集成型环路补偿电路极大地简化了此类器件的 PCB 布局 通用的 TPS62130A 被用作一个降压型转换器实例 该器件可在所有上述的应用中使用 1 示出了一款典型电路的完整原理图。



步骤 1:实施输入电容器的安置和布线

对于任何降压型转换器来说 输入电容器都是其实现可靠操作的最重要组件 因此 在布局过程中其应为 IC 之后首先安放的组件 在安置了电容器之后立即将之布线至 IC 这样在其走线排布的路径中就不会被置入其他的组件。

在制造规则允许的情况下把输入电容器布设在尽可能靠近 IC 的地方。 利用平面来实现输入电容器端子至 IC 的连接。 采用如此宽阔和简短的平面连接方式可最大限度地减小印制线电感。 通过增设过孔以连接至系统的输入电压和接地点。


步骤 2:实施电感器和 SW 节点减振器的安置和布线

由于 SW 节点电压以非常快的上升和下降时间从输入电压摆动至地电位 因此它是 SMPS EMI 的主要产生者。为了有效地降低EMI 可在这一步为 PCB 布局增设一个电阻 / 电容 (RC)减振器 这是 SW PGND (GND) 引脚之间布线最短的地方 从而最大限度地降低了其寄生电感[1]。

如需降低辐射 EMI 则把电感器安放在尽可能靠近 IC之处 并保持尽可能小的 SW 节点铜面积。 3 示出了在 SW PGND (GND) 之间采用和未采用 RC 减振器 R14 C5 的情况下电感器 L1 和L11) 的正确布设。

步骤 3:实施输出电容器和 VOS 引脚的安置和布线

输出电容器布设不当通常会引起不良的输出电压调节。每种功率组件的安置和布线以尽量缩短它们之间的距离为宗旨 使这些环路面积保持很小可实现 SMPS 的最佳运作 最后 此类组件的布线不应采用过孔 因为过孔将使印制线的电感显著地增加




最至关重要的小信号连接是 VOS 输入引脚 VOS 引脚连接不当或存在噪声将引发不良的输出电压调节 开关抖动 在某些场合中甚至是 IC 故障 现在实施 VOS 引脚布线以确保其具有高于其他信号布线的优先级 使 VOS引脚走线简短并直达输出电容器。 4 示出了针对 C2 C12 输出电容器的正确安置和布线 以及底层上的一种良好的 VOS 引脚布线。


步骤 4:进行小信号组件的安置和布线

小信号组件包括所有与电源转换没有直接关系的模拟和数字组件,应采用简短和直接的布线把所有这些组件布设在靠近 IC 的地方 以使其对噪声的敏感性保持在很低的水平 特别重要的是 必需尽可能地使 FB 节点保持小巧 以最大限度地减少噪声捡拾并提供优良的输出电压调节性能


所有的数字信号 例如 EN PG 引脚电路 在安放和布线的重要性方面是最低的 因此放在最后进行 数字引脚通常具有一个低阻抗驱动源所需的任何上拉或下拉电阻器一般可沿着信号路径随意布设 不必安放在靠近 SMPS 的地方。


步骤 5:制作一个单点接地并连接至系统的其余部分

应始终遵从产品手册中针对接地所给出的具体建议 一般来说 这意味着必需为有噪声的功率组件设立一个接地点 而为安静的小信号组件保留一个单独的接地点。通过遵循上文说明的建议和步骤 已经可以满足这一条 接着 在单个点上把这两个接地接合起来 这个点通常是位于 IC 下方的裸露散热焊盘 其也应该连接至地)。 参阅图 5 对于接地点所需进行的唯一“修订”是在 PGND 引脚和裸露散热焊盘之间完整地敷设一个铜平面


完成了接地之后 就该是把该电路连接至系统其余部分的时候了 这可以利用过孔来实现 因为输入电压 输出电压和接地的布线通常是在位于内部 PCB层的平面上实施的 以到达各种不同的电路 以接地为起始点 过孔的最佳布设位置是 IC 的正下方 这样裸露焊盘就可将其热量向下传导至 PCB 层中 这是实现 IC 的最佳热性能所必需的。 6 示出了一款完工的布局。


特殊考虑因素

例如:TPS62360 在许多 WCSP 封装的降压型转换器中 IC的引出脚配置会将 SW 引脚置于 VIN PGND (GND)引脚之间 如果遵照步骤 1 那么输入电容器将阻止接近 SW 引脚 除非 SW 引脚的布线位于输入电容器的下方 有人觉得这是不可取的 因为要在小组件 比如:输入电容器 的端子之间布线 走线就必须相当细 那么这看起来就像图 7 示出的情形。



优选的 PCB 布局方法是在输入电容器的下方进行 SW 引脚的布线( 图 7)。 SW 印制线不仅很细, 而且也非常短, 因此保持了很小的 SW 节点。 这遵循了“步骤 2”的指导, 旨在降低 EMI。 如果无法排布这样的一根印制线, 则使用过孔来把 SW 引脚连接至电感器。 在此连接中采用过孔仅仅由于布线的延长而产生了额外的 EMI。然而, 这些过孔所增加的电感是无关紧要的, 因为该寄生电感与电感器的电感相串联。 相比于把输入电容器从其理想位置移开的做法, 在此路径中使用过孔是一种更好的选择。


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