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降壓轉換器 PCB設計配置五項步驟

time : 2019-09-03 09:01       作者:凡億pcb

切換模式電源(SMPSs)若想兼顧效能與穩定性,印刷電路板(PCB)配置格外重要,卻常未受重視,配置若是出錯,將會導致種種問題,例如輸出電壓穩壓效果不佳、切換異常,甚至是裝置故障。由于修理過程常得調整 PCB設計,應盡可能避免此類問題發生,不過如果在訂購 PCB之前,能夠先花時間思考配置流程,這些缺點即可輕松克服。本文介紹五項簡易步驟,協助各位下回設計降壓轉換器的 PCB設計配置時,能夠迅速淮備好生產原型。
 
設計服務器、平板電腦、電子終端機時,若希望風險能降至最低,最好能直接復制評估模組或產品說明書中的 PCB設計配置范例,但許多原因都會形成阻力,本文為此詳述 PCB設計配置的五個步驟,適用于任何 TPS62xxx 內建開關的降壓轉換器。內部 MOSFETs 與內建回路補償電路可降低 PCB設計配置所需難度與時間,進而大幅簡化裝置內的 PCB設計配置。做為范例的 TPS62130A降壓轉換器彈性極佳,可用于上述任一應用,圖一為典型電路的完成簡圖。
電壓從 12-V 降至 3.3-V 所用的 TPS62130A 電路
圖一 電壓從 12-V 降至 3.3-V 所用的 TPS62130A 電路
 
第一步:設置與連結輸入電容
降壓轉換器若要穩定運作,輸入電容是最重要的單一元件,因此在配置順序上應僅次于晶片,且應立刻連結電容與晶片,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生額外寄生電感,以及晶片的 PVIN 與 PGND 終端之間出現過量電壓突增,都可能導致晶片故障。
依據制造原則,盡可能縮短輸入電容與晶片的配置距離,并以平面連結輸入電容終端與晶片終端,因為平面連結又寬又短,可降低走線電感;增加通孔連結系統輸入電壓與接地,不過因為重要性較低,可留待第五步再執行。圖二示范輸入電容與晶片正確配置及連結方式,以TPS62130A 的腳位為基礎(U1 與 U11),輸入電容共有兩項可接受的配置方式(C1 與 C11),晶片的接腳一位于右下角。
降低電壓突增的晶片與輸入電容配置與電路
圖二 降低電壓突增的晶片與輸入電容配置與電路
 
第二步:設置與連結電感與 SW 節點緩沖
電感與 SW 節點緩沖 (若有需要) 的配置與連結也很重要,有時電路板內需要設置緩沖電路,藉由減緩 SW 節點的升降時間,減少 SMPS 的電磁干擾,但也因此增加切換損耗與降低效能。SW 節點電壓從輸入電壓至接地的升降時間非常短,也是 SMPS 的電磁干擾主要來源,現代SMPS 通常內含減少電磁干擾的技術,例如此時在 PCB設計配置中設置電阻/電容(RC)緩沖,建立SW 與 PGND 接腳的最短連結,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 節點銅片盡量減少,連結至 SW 節點的銅片為寄生電容,此項電容為雜訊藕合路徑,因為縮小 SW 節點尺寸,電容片與藕合能降至最小;依據需求旋轉電感,不僅能縮小 SW 節點尺寸,亦便于連結至輸出電容(第三步)。圖三說明從 SW至 PGND 的范圍內,在有無 RC 緩沖(R14 與 C15)條件下的電感適當配置點(L1 與 L11)。
為降低 EMI 的電感與 RC 緩沖配置及連結
圖三 為降低 EMI 的電感與 RC 緩沖配置及連結
 
第三步:設置與連結輸出電容與 VOS 接腳
輸出電容為電源元件連結的最后一項(內部 MOSFET、輸入電容、輸出電容、電感、非必要緩沖),這是系統連結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,常會造成輸出電壓穩壓效果不佳。
每項電源元件設置及連結時,都希望路徑愈短愈好,回路區域縮小可提升 SMPS 運作,且其中不應使用任何通孔,因為通孔會大幅提高走線電感,在特定案例中,SW 節點連線可能會使用通孔,請見文末的特殊考量。
 
VOS 輸入接腳是最重要的小訊號連接,若是處理不當或雜訊太多,可能導致輸出電壓穩壓不良、切換跳動,甚至是晶片故障,經過連線安排后,VOS 接腳的重要性優于其他訊號路由,VOS 接腳走線應簡短,并直接連至輸出電容,因為 TPS62130A 具備接腳,可用兩項通孔與專用走線,連接 VOS 接腳與輸出電容,因此優于電路內其他電源元件。
為降低雜訊拾起,兩項通孔應與其他連接隔絕,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,否則會影響更重要的 PGND 連接。圖四說明 C2與 C12 輸出電容的適當設置及連結方式,以及底部 VOS 接腳連結的適當途徑。
輸出電容與 VOS 接腳穩壓良好的 PCB 設置及路徑
圖四 輸出電容與 VOS 接腳穩壓良好的 PCB 設置及路徑
 
第四步:設置與連結小訊號元件
類比及數位元件只要與電源轉換無直接關聯,均可稱為小訊號元件,例如 FB 接腳分壓器、軟啟動電容,以及所有小數值的去藕電容(如 0.1 µF),相較于電源元件及其節點會產生雜訊,類比小訊號元件對雜訊很敏感,讓每個元件設置點接近晶片,并使用直接且短的路徑,可降低雜訊敏感度。
FB 節點尺寸更要盡量縮小,以減少雜訊拾取,并提供良好輸出電壓穩壓;使用共同類比或寧靜接地,將所有元件設置在 PCB 的同一側,降低連結難度。小訊號元件若設置不良,常見問題包括輸出電壓穩壓不佳、軟啟動不穩定、裝置運作問題等。
EN 及 PG 接腳電路等數位訊號的設置及連結重要性最低,因此可最后再進行,數位接腳的阻抗源極通常很低,上拉電阻或下拉電阻可設置于訊號路徑各處,不需接近 SMPS。圖五說明小訊號元件的適當設置及路徑,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:制作單點接地,連結至系統其他區塊
接地設計一定要參考產品說明書的建議,代表雜訊較多的電源元件設有一項接地,較寧靜的小訊號元件另設接地,若遵循上述建議及步驟,相關設置作業已完成。接下來,兩項接地會在同一點交集,通常位于晶片下方的散熱片,而散熱片也應接地。
數位與小訊號元件配置及路徑
圖五 數位與小訊號元件配置及路徑
 
以圖五為例,接地唯一需調整處,只有在 PGND 接腳及散熱片之間加上銅片,TPS62130A 產品說明書里,更進一步強制要求這項連結,否則可能產生雜訊問題,例如輸出電壓穩壓不良,或是數位輸入接腳的邏輯等級不足,這些問題都是操作時接地之間電壓位移所致,接地若能妥善連接,亦可增進裝置散熱能力。
 
接地設計完成后,必須將此電路連接至系統其他區塊,例如透過通孔完成,因為輸入電壓、輸出電壓及接地一般都連至內部 PCB 層的平面,再抵達各個電路,通孔從接地開始,最好設置在晶片正下方,則散熱片可將熱能傳導致 PCB 層,以達到晶片最佳熱能表現。
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接地平面里設置通孔,因為可能導致網路內出現接地平面的雜訊,這些接地最好直接連回 AGND 接腳,做為導熱片的單一連接點。
若要將輸入與輸出電壓連回系統,也需要通孔,通孔最好能設計于電路之外,而非輸入電容與晶片之間,以免阻擋元件之間的重要路由,若要計算通孔的必要數量,基本原則為每安培電流使用一個通孔,不過若空間許可,通孔愈多愈好,配置成品如圖六。
使用通孔及單點接地的 PCB 成品配置及路徑
圖六 使用通孔及單點接地的 PCB 成品配置及路徑
 
特殊考量
請記得閱讀裝置說明書,以了解特定建議配置及范例,對多數裝置配置而言,其中說明與范例均已足夠,在 TPS62360 等晶圓晶片級封裝(WCSP)里,偶爾會出現令人困惑的配置,在許多WCSP 降壓轉換器中,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,有些設計人員排斥這種作法,
因為走線必須相當薄,才能在輸入電容等小元件終端之間相連,如圖七。
TPS62360 的 WCSP 封裝建議配置 [2]
圖七 TPS62360 的 WCSP 封裝建議配置 [2]
 
理想的 PCB設計配置方式是將 SW 接腳連結至輸入電容之下,如圖七,SW 走線既薄又短,確保SW 節點尺寸輕巧,在第二步驟之后降低電磁干擾。
若無法建立此項走線,則可利用通孔連結 SW 接腳與電感,雖然這項通孔與較長連結會產生額外電磁干擾,但因為寄生電感與其他電感串聯,故這些通孔增加的電感影響不大,相較于移動輸入電容的理想位置,建議在此路徑使用通孔。
 
結論
設計 SMPS 的 PCB設計配置時,請務必參考裝置說明書與評估模組內的范例與建議,若無法完全復制或無可參考依據時,可藉由五項簡易步驟,制作優質的降壓轉換器:
1. 設置與連結輸入電容;
2. 設置與連結電感與 SW 節點緩沖;
3. 設置與連結輸出電容與 VOS 接腳;
4. 設置與連結小訊號元件;
5. 制作單點接地,連結至系統其他區塊。
若遵循上述步驟,將為服務器、平板電腦、電子終端機等使用降壓轉換器的系統,提供健全設計與優越表現。