在开关模式电源(SMPS)设计中,PCB布局是实现可靠性能和稳定性的关键步骤之一。布局错误可能会导致输出电压调节不稳定、开关噪声、甚至器件损坏。为了避免这些问题,需要在PCB布局的设计阶段投入足够的时间和精力。以下是设计步降转换器(如TPS62130A)的五个重要步骤,帮助实现一个稳健的PCB布局。
步骤1:输入电容的放置与布线
输入电容是确保步降转换器稳定工作的最关键组件之一。其应在IC后首先放置,并紧随其后进行布线,确保电容与IC之间的连接尽量短且直接。避免电容与IC之间的额外寄生电感,因为这可能导致由于开关作用产生的电压尖峰,进而导致IC故障。确保输入电容尽可能靠近IC,并通过平面连接其端子,以减少寄生电感。
步骤2:电感与开关节点缓冲电路的放置与布线
电感和SW节点缓冲电路(如果需要)是第二重要的布局元素。SW节点的电压从输入电压切换到地,产生的快速上升和下降时间是SMPS产生EMI的主要原因。现代SMPS通常会采用一些EMI抑制技术,减少对RC缓冲电路的需求。如果需要RC缓冲电路,应将其尽量靠近SW节点和PGND端子,保持路径最短,减少寄生电感。
步骤3:输出电容与VOS引脚的放置与布线
输出电容是完成电源组件连接的最后一步,应尽量将其放置在电感与电源地端之间的短路径上,以减少噪声对输出电压调节的影响。VOS引脚是关键的小信号连接,其布线需要保持短且直,以确保良好的电压调节。VOS引脚应避开噪声源,并应通过专用的走线连接到输出电容。
步骤4:小信号组件的放置与布线
小信号组件包括反馈电阻、软启动电容、去耦电容等,它们对噪声非常敏感,因此需要尽量靠近IC,并采用短而直接的布线。特别是反馈节点(FB),应保持尽可能小,以减少噪声影响。此外,数字信号(如使能和电源良好指示引脚)的布线优先级较低,应该在布局的最后阶段进行。
步骤5:创建单点接地与系统连接
接地是PCB设计中的一个关键部分。通常情况下,电源地和小信号地应分开布线,且两个地应通过单点连接。最佳做法是将这两个地连接到IC的裸露热垫,并确保其通过合适的铜平面相连。这样做不仅能减少电压偏移引起的噪声问题,还能优化IC的热性能。接地完成后,应通过适当数量的过孔将输入电压、输出电压和地连接到系统的其他部分。
特别注意事项
- 接地问题:在设计过程中,始终需要参考IC的datasheet和评估模块(EVM)提供的接地建议。通常,电源地与小信号地应分开,并通过单点连接。
- SW引脚布局:一些特殊的封装(如WCSP)可能会导致SW引脚的位置较为特殊,这时应考虑将SW引脚布线穿过输入电容下方,尽管该路径较细,但可以有效减少EMI。
结论
设计SMPS的PCB时,尽管可以参考datasheet和EVM提供的布局示例,但在某些情况下,可能需要遵循上述五个步骤进行合理布局。这些步骤包括:输入电容的布置、开关节点缓冲电路的布局、输出电容和VOS引脚的布局、小信号组件的布局以及接地系统的设计。通过合理布局,可以确保设计的稳健性,进而提升步降转换器的性能和可靠性。