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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。由于修理過程常得調(diào)整 PCB設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能避免此類問題發(fā)生，不過如果在訂購 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)品說明書中的 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??；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)。圖三說明從 SW至 PGND 的范圍內(nèi)，在有無 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，常見問題包括輸出電壓穩(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)品說明書的建議，代表雜訊較多的電源元件設(shè)有一項(xiàng)接地，較寧靜的小訊號(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，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)品說明書里，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)記得閱讀裝置說明書，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)必參考裝置說明書與評(píng)估模組內(nèi)的范例與建議，若無法完全復(fù)制或無可參考依據(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)。