切換模式電源(SMPSs)若想兼顧效能與穩(wěn)定性,印刷電路板(PCB)配置格外重要,卻常未受重視,配置若是出錯(cuò),將會(huì)導(dǎo)致種種問(wèn)題,例如輸出電壓穩(wěn)壓效果不佳、切換異常,甚至是裝置故障。由于修理過(guò)程常得調(diào)整
PCB設(shè)計(jì),應(yīng)盡可能避免此類問(wèn)題發(fā)生,不過(guò)如果在訂購(gòu) PCB之前,能夠先花時(shí)間思考配置流程,這些缺點(diǎn)即可輕松克服。本文介紹五項(xiàng)簡(jiǎn)易步驟,協(xié)助各位下回設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器的 PCB設(shè)計(jì)配置時(shí),能夠迅速淮備好生產(chǎn)原型。
設(shè)計(jì)服務(wù)器、平板電腦、電子終端機(jī)時(shí),若希望風(fēng)險(xiǎn)能降至最低,最好能直接復(fù)制評(píng)估模組或產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的 PCB設(shè)計(jì)配置范例,但許多原因都會(huì)形成阻力,本文為此詳述 PCB設(shè)計(jì)配置的五個(gè)步驟,適用于任何 TPS62xxx 內(nèi)建開(kāi)關(guān)的降壓轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部 MOSFETs 與內(nèi)建回路補(bǔ)償電路可降低 PCB設(shè)計(jì)配置所需難度與時(shí)間,進(jìn)而大幅簡(jiǎn)化裝置內(nèi)的 PCB設(shè)計(jì)配置。做為范例的 TPS62130A降壓轉(zhuǎn)換器彈性極佳,可用于上述任一應(yīng)用,圖一為典型電路的完成簡(jiǎn)圖。
圖一 電壓從 12-V 降至 3.3-V 所用的 TPS62130A 電路
第一步:設(shè)置與連結(jié)輸入電容
降壓轉(zhuǎn)換器若要穩(wěn)定運(yùn)作,輸入電容是最重要的單一元件,因此在配置順序上應(yīng)僅次于晶片,且應(yīng)立刻連結(jié)電容與晶片,避免路徑受到阻礙,由于 V= L×dI/dt 的切換,在電源與接地的輸入電容終端之間產(chǎn)生額外寄生電感,以及晶片的 PVIN 與 PGND 終端之間出現(xiàn)過(guò)量電壓突增,都可能導(dǎo)致晶片故障。
依據(jù)制造原則,盡可能縮短輸入電容與晶片的配置距離,并以平面連結(jié)輸入電容終端與晶片終端,因?yàn)槠矫孢B結(jié)又寬又短,可降低走線電感;增加通孔連結(jié)系統(tǒng)輸入電壓與接地,不過(guò)因?yàn)橹匾暂^低,可留待第五步再執(zhí)行。圖二示范輸入電容與晶片正確配置及連結(jié)方式,以TPS62130A 的腳位為基礎(chǔ)(U1 與 U11),輸入電容共有兩項(xiàng)可接受的配置方式(C1 與 C11),晶片的接腳一位于右下角。
圖二 降低電壓突增的晶片與輸入電容配置與電路
第二步:設(shè)置與連結(jié)電感與 SW 節(jié)點(diǎn)緩沖
電感與 SW 節(jié)點(diǎn)緩沖 (若有需要) 的配置與連結(jié)也很重要,有時(shí)電路板內(nèi)需要設(shè)置緩沖電路,藉由減緩 SW 節(jié)點(diǎn)的升降時(shí)間,減少 SMPS 的電磁干擾,但也因此增加切換損耗與降低效能。SW 節(jié)點(diǎn)電壓從輸入電壓至接地的升降時(shí)間非常短,也是 SMPS 的電磁干擾主要來(lái)源,現(xiàn)代SMPS 通常內(nèi)含減少電磁干擾的技術(shù),例如此時(shí)在 PCB設(shè)計(jì)配置中設(shè)置電阻/電容(RC)緩沖,建立SW 與 PGND 接腳的最短連結(jié),也將寄生電感降至最低。[1]
為減少輻射 EMI,讓電感盡可能接近晶片,SW 節(jié)點(diǎn)銅片盡量減少,連結(jié)至 SW 節(jié)點(diǎn)的銅片為寄生電容,此項(xiàng)電容為雜訊藕合路徑,因?yàn)榭s小 SW 節(jié)點(diǎn)尺寸,電容片與藕合能降至最小;依據(jù)需求旋轉(zhuǎn)電感,不僅能縮小 SW 節(jié)點(diǎn)尺寸,亦便于連結(jié)至輸出電容(第三步)。圖三說(shuō)明從 SW至 PGND 的范圍內(nèi),在有無(wú) RC 緩沖(R14 與 C15)條件下的電感適當(dāng)配置點(diǎn)(L1 與 L11)。
圖三 為降低 EMI 的電感與 RC 緩沖配置及連結(jié)
第三步:設(shè)置與連結(jié)輸出電容與 VOS 接腳
輸出電容為電源元件連結(jié)的最后一項(xiàng)(內(nèi)部 MOSFET、輸入電容、輸出電容、電感、非必要緩沖),這是系統(tǒng)連結(jié)至電源接地終端的最后元件,以縮短電感連至電源接地的距離,輸出電容若配置不當(dāng),常會(huì)造成輸出電壓穩(wěn)壓效果不佳。
每項(xiàng)電源元件設(shè)置及連結(jié)時(shí),都希望路徑愈短愈好,回路區(qū)域縮小可提升 SMPS 運(yùn)作,且其中不應(yīng)使用任何通孔,因?yàn)橥讜?huì)大幅提高走線電感,在特定案例中,SW 節(jié)點(diǎn)連線可能會(huì)使用通孔,請(qǐng)見(jiàn)文末的特殊考量。
VOS 輸入接腳是最重要的小訊號(hào)連接,若是處理不當(dāng)或雜訊太多,可能導(dǎo)致輸出電壓穩(wěn)壓不良、切換跳動(dòng),甚至是晶片故障,經(jīng)過(guò)連線安排后,VOS 接腳的重要性優(yōu)于其他訊號(hào)路由,VOS 接腳走線應(yīng)簡(jiǎn)短,并直接連至輸出電容,因?yàn)?TPS62130A 具備接腳,可用兩項(xiàng)通孔與專用走線,連接 VOS 接腳與輸出電容,因此優(yōu)于電路內(nèi)其他電源元件。
為降低雜訊拾起,兩項(xiàng)通孔應(yīng)與其他連接隔絕,只接觸 VOS 接腳與頂層的輸出電壓平面。不要將 TPS62130A 的 VOS 接腳直接連至頂層,否則會(huì)影響更重要的 PGND 連接。圖四說(shuō)明 C2與 C12 輸出電容的適當(dāng)設(shè)置及連結(jié)方式,以及底部 VOS 接腳連結(jié)的適當(dāng)途徑。
圖四 輸出電容與 VOS 接腳穩(wěn)壓良好的 PCB 設(shè)置及路徑
第四步:設(shè)置與連結(jié)小訊號(hào)元件
類比及數(shù)位元件只要與電源轉(zhuǎn)換無(wú)直接關(guān)聯(lián),均可稱為小訊號(hào)元件,例如 FB 接腳分壓器、軟啟動(dòng)電容,以及所有小數(shù)值的去藕電容(如 0.1 µF),相較于電源元件及其節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生雜訊,類比小訊號(hào)元件對(duì)雜訊很敏感,讓每個(gè)元件設(shè)置點(diǎn)接近晶片,并使用直接且短的路徑,可降低雜訊敏感度。
FB 節(jié)點(diǎn)尺寸更要盡量縮小,以減少雜訊拾取,并提供良好輸出電壓穩(wěn)壓;使用共同類比或?qū)庫(kù)o接地,將所有元件設(shè)置在 PCB 的同一側(cè),降低連結(jié)難度。小訊號(hào)元件若設(shè)置不良,常見(jiàn)問(wèn)題包括輸出電壓穩(wěn)壓不佳、軟啟動(dòng)不穩(wěn)定、裝置運(yùn)作問(wèn)題等。
EN 及 PG 接腳電路等數(shù)位訊號(hào)的設(shè)置及連結(jié)重要性最低,因此可最后再進(jìn)行,數(shù)位接腳的阻抗源極通常很低,上拉電阻或下拉電阻可設(shè)置于訊號(hào)路徑各處,不需接近 SMPS。圖五說(shuō)明小訊號(hào)元件的適當(dāng)設(shè)置及路徑,包括 FB 電阻(R1、R2 及 R11、R12)、SS/TR 電容(C4 與 C14)、AVIN 去藕電容(C3 與 C13)、PG 接腳上抗電阻(R3 與 R13)。
第五步:制作單點(diǎn)接地,連結(jié)至系統(tǒng)其他區(qū)塊
接地設(shè)計(jì)一定要參考產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的建議,代表雜訊較多的電源元件設(shè)有一項(xiàng)接地,較寧?kù)o的小訊號(hào)元件另設(shè)接地,若遵循上述建議及步驟,相關(guān)設(shè)置作業(yè)已完成。接下來(lái),兩項(xiàng)接地會(huì)在同一點(diǎn)交集,通常位于晶片下方的散熱片,而散熱片也應(yīng)接地。
圖五 數(shù)位與小訊號(hào)元件配置及路徑
以圖五為例,接地唯一需調(diào)整處,只有在 PGND 接腳及散熱片之間加上銅片,TPS62130A 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)里,更進(jìn)一步強(qiáng)制要求這項(xiàng)連結(jié),否則可能產(chǎn)生雜訊問(wèn)題,例如輸出電壓穩(wěn)壓不良,或是數(shù)位輸入接腳的邏輯等級(jí)不足,這些問(wèn)題都是操作時(shí)接地之間電壓位移所致,接地若能妥善連接,亦可增進(jìn)裝置散熱能力。
接地設(shè)計(jì)完成后,必須將此電路連接至系統(tǒng)其他區(qū)塊,例如透過(guò)通孔完成,因?yàn)檩斎腚妷?、輸出電壓及接地一般都連至內(nèi)部 PCB 層的平面,再抵達(dá)各個(gè)電路,通孔從接地開(kāi)始,最好設(shè)置在晶片正下方,則散熱片可將熱能傳導(dǎo)致 PCB 層,以達(dá)到晶片最佳熱能表現(xiàn)。
通孔一般也位于輸入及輸出電容的接地終端,通常不建議在安靜接地元件的系統(tǒng)接地平面里設(shè)置通孔,因?yàn)榭赡軐?dǎo)致網(wǎng)路內(nèi)出現(xiàn)接地平面的雜訊,這些接地最好直接連回 AGND 接腳,做為導(dǎo)熱片的單一連接點(diǎn)。
若要將輸入與輸出電壓連回系統(tǒng),也需要通孔,通孔最好能設(shè)計(jì)于電路之外,而非輸入電容與晶片之間,以免阻擋元件之間的重要路由,若要計(jì)算通孔的必要數(shù)量,基本原則為每安培電流使用一個(gè)通孔,不過(guò)若空間許可,通孔愈多愈好,配置成品如圖六。
圖六 使用通孔及單點(diǎn)接地的 PCB 成品配置及路徑
特殊考量
請(qǐng)記得閱讀裝置說(shuō)明書(shū),以了解特定建議配置及范例,對(duì)多數(shù)裝置配置而言,其中說(shuō)明與范例均已足夠,在 TPS62360 等晶圓晶片級(jí)封裝(WCSP)里,偶爾會(huì)出現(xiàn)令人困惑的配置,在許多WCSP 降壓轉(zhuǎn)換器中,晶片接腳將 SW 接腳置于 VIN 與 PGND 接腳之間,若遵循第一步,除非 SW 接腳從輸入電容下方繞道,否則輸入電容將擋住 SW 接腳,有些設(shè)計(jì)人員排斥這種作法,
因?yàn)樽呔€必須相當(dāng)薄,才能在輸入電容等小元件終端之間相連,如圖七。
圖七 TPS62360 的 WCSP 封裝建議配置 [2]
理想的 PCB設(shè)計(jì)配置方式是將 SW 接腳連結(jié)至輸入電容之下,如圖七,SW 走線既薄又短,確保SW 節(jié)點(diǎn)尺寸輕巧,在第二步驟之后降低電磁干擾。
若無(wú)法建立此項(xiàng)走線,則可利用通孔連結(jié) SW 接腳與電感,雖然這項(xiàng)通孔與較長(zhǎng)連結(jié)會(huì)產(chǎn)生額外電磁干擾,但因?yàn)榧纳姼信c其他電感串聯(lián),故這些通孔增加的電感影響不大,相較于移動(dòng)輸入電容的理想位置,建議在此路徑使用通孔。
結(jié)論
設(shè)計(jì) SMPS 的 PCB設(shè)計(jì)配置時(shí),請(qǐng)務(wù)必參考裝置說(shuō)明書(shū)與評(píng)估模組內(nèi)的范例與建議,若無(wú)法完全復(fù)制或無(wú)可參考依據(jù)時(shí),可藉由五項(xiàng)簡(jiǎn)易步驟,制作優(yōu)質(zhì)的降壓轉(zhuǎn)換器:
1. 設(shè)置與連結(jié)輸入電容;
2. 設(shè)置與連結(jié)電感與 SW 節(jié)點(diǎn)緩沖;
3. 設(shè)置與連結(jié)輸出電容與 VOS 接腳;
4. 設(shè)置與連結(jié)小訊號(hào)元件;
5. 制作單點(diǎn)接地,連結(jié)至系統(tǒng)其他區(qū)塊。
若遵循上述步驟,將為服務(wù)器、平板電腦、電子終端機(jī)等使用降壓轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng),提供健全設(shè)計(jì)與優(yōu)越表現(xiàn)。
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