SMPS PCB 设计评论家

电器工程 电路板 布局 开关模式电源 降压
2022-02-06 01:55:35

这篇文章的最旧版本可以通过这个链接查看。

这是我重新设计的布局。你又是什么看法?

10-32V 至 5V 1.2A SMPS 降压稳压器设计。该IC是英飞凌的IFX91041

以下是原理图和布局: http ://www.mediafire.com/?69e66eje7vda1

(5v 1.2A 和 35V 4A 的面积均为 45 cm²(~6.98 inch²)。)

示意图 PCB - 顶层 PCB - 底层

3个回答

我同意这里的其他答案,但只是认为这可能会有所帮助:

在此处输入图像描述

我绘制了此设计中最受关注的 2 个高电流/高开关频率环路。

绿色显示带有 C7/C18 去耦电容的输入电流环路,提供大部分所需的高频电流。由于接地设计不佳,该环路非常大。

黄色表示输出电流环,也很大。

也许最令人担忧的是,从输入和输出到稳压器的返回电流共享一条通过离开 C17 的窄迹线的接地返回路径。

您的最终目标是最小化这两个循环的循环面积。这样做时请记住,与 EMI 有关的高频电流将遵循对地电感最小的路径,而不是电阻最小的路径。

例如,为了清楚起见,我将这些路径画得有点宽,但实际上,输出电流(黄色)的接地返回路径的高频分量将尝试直接在输入电流路径下传播,如果可以的话。在返回的路上,它更有可能在 L2 下弯腰。

编辑:更新完整的地平面。

这是新布局的当前循环的更新图:

在此处输入图像描述

这要好得多,为了清楚起见,接地回路是分开的,但高频内容将沿着接地平面传播,尽可能靠近电源走线的正下方。我添加了粉红色的反馈路径,较浅的颜色表示在地平面上流动的电流。

几点注意事项:

  • 路径仍然比它们需要的长得多。反馈回路特别长,会在输入电流下运行。此输入为高阻抗,因此此迹线上的任何电感耦合都会对您的调节精度产生相对较大的影响。您确实以几乎 90 度交叉,这减少了耦合,但接地电流没有,并且由于其他原因是一个问题(见下文)。

  • 输入电源走线穿过反馈回路走线所在的接地层中的一个裂缝。永远,永远,在相邻层上的接地或电源平面上的裂缝与有可能承载高频的迹线(这实际上意味着任何迹线)交叉。这将创建一个辐射环路,如浅绿色返回路径所示。最终结果是一个大的 EMI 问题。

  • 我不知道这是导出为 pdf 的结果还是什么,但您似乎有很多过孔会出现间隙问题。它们靠得太近,离元件焊盘太近。即使在通孔上使用阻焊层,如果使用回流焊,焊盘上的阻焊层间隙看起来也会暴露一些通孔,从而导致焊接问题。例如,D1 附近的通孔几乎肯定会暴露出来,当电路板回流时,通孔会将所有焊料从焊盘上吸走,使 D1 要么未焊接,要么焊接得很差。

  • 一些过孔也不会出现在两层上,例如 U1 下的过孔。

我会做什么:

设置您的 PCB 设计软件设计规则,检查您的 PCB 制造商所需的任何间隙。这将提醒您注意过孔、过孔焊盘和过孔阻焊层间隙问题。

知道您现在有一个坚固的接地平面,撕毁设计并重新开始放置组件。专注于最小化关键路径的长度,并为这些路径使用尽可能多的铜(除了反馈回路,它的低电流)。如果空间/布局允许,在表面上倒地并不是一个坏主意,只要确保你能正确地做到这一点。(没有孤立的铜,很好地耦合到接地层)

编辑2:

不确定您是否已经拥有此功能,但这里是英飞凌的参考设计/应用说明,适用于底部使用实心接地层的 2 层板。他们使用相当长的 FB 跟踪,但远离危险循环。

在此(以及大多数其他 SMPS 设计)中有两个高电流开关环路,您需要注意它们以实现足够的效率和低 EMI 噪声。

  1. Pin8 - C9 - GND

    这个循环必须覆盖你的输入功率。

    为了使环路本身更小,请将电容器接地连接到调节器的接地标志,只需将 C9 逆时针旋转 90°。

    我在您的设计中缺少一些小而快的电容器,例如 100-220nF 陶瓷电容器。将它连接到非常靠近稳压器 IC。

  2. 引脚 6 - L2 - C13

    这将是您的输出循环。

    将 C13 和 C17 移动到底部,将它们的接地连接到 IC 的接地片(为此使用漂亮的大多边形填充。

    再次添加一个小陶瓷电容器。

    将 L2 旋转 180° 与 C13、C17 和 IC 建立良好的大连接(同样,多边形填充是最好的)。

    将 D2 旋转 90° 并将其放在 L2 和 IC 之间,将其连接到多边形和接地片。

一般来说:

  1. 对所有具有高开关电流的走线使用 WIDE 走线或多边形填充。
  2. 如果可能,请使用接地板,它可以降低噪音,还有助于将热量从您的 IC 中传导出去。

我会使用该部分的可调输出电压版本而不是 5v 部分。但即使使用 5v 版本,您也应该包括反馈分压器(只需在高端使用零欧姆电阻,不要安装低端电阻)。从长远来看,这将为您提供更大的灵活性,以防万一您需要不同的电压。

一般来说,你的痕迹不够宽。最关键的是从 C9 到 U1.7-8 的走线,连接到 U1.6 的任何东西,L2 到 C17/C13,以及 U1 和任何地方之间的 GND。这些网络将具有大量开关电流,您要确保它们又短又宽。

U1 可能会散发一些热量,并且您必须连接到部件底部的 GND 焊盘是不够的。您应该增加 PCB 顶部的 GND 平面的尺寸。通过移动 R1 和 C1 来做到这一点,这样 GND 平面就可以从芯片下方向外扩展。

很难说,但我不认为你在电路的上半部分和下半部分之间连接了 GND。你真的应该在整个 PCB 下有一个坚固的接地层,而不是试图做任何花哨的事情来隔离不同的部分。(例外:您仍然希望 GND 平面冷却 U1,只需使用过孔将该平面连接到整个 GND 平面。)

结论:更厚的走线,更好的散热,大量的 GND。

编辑:这是我对 Rev B 的评论...

底部应该是一个完整的 GND 平面。不分成两半。这是至关重要的,不应被忽视。

如果可能,顶层不要有 GND 走线——这就是 GND 平面的用途。对于 J1、D1 和 C17 之间的 GND 尤其如此。

此外,到 C8 的 GND 走线使该电容完全无用。走线电感会很大。取而代之的是在帽盖上直接使用几个通孔连接到 GND 平面。C8 应该位于 C9 旁边。

连接电路上半部分和下半部分的走线太细了。两倍或三倍。或者更好的是,使用铜平面/形状/填充/任何东西。

底部的单条迹线(从 C17 到 U1)应重新布线,使其大部分位于 PCB 顶部。这将有助于保持底部的 GND 平面更加完整,并且不太可能做坏事。

从您的图片中很难看出,但您可能需要从 U1 上的 GND 焊盘/平面到底层的 GND 平面的更多过孔。将更多的热量传递到底层是好的。

连接到 D2 并位于 L2 下方的顶层 GND 平面需要更多通孔连接到 PCB 底部的 GND 平面。在 L2 下方放置至少 2 个过孔,并且可能在右下角放置三分之一。