降压转换器的布线注意事项

电器工程 pcb设计 开关模式电源 鹰 降压 路由
2022-01-28 13:15:45

我正在寻找具有以下要求的可调节输出降压转换器：

  • 输出1.25-15V
  • 输入 20-24V
  • 最大电流5A（有限制）
  • 最大输出纹波 100mV（最好但不太重要）
  • PCB面积50x50mm

使用 LM5085 IC：数据表，我相信我有一个可行的设计。我选择的设计是数据表 pg1 上的“典型应用”原理图，并添加了一个检测电阻： 在此处输入图像描述 我对组件值的选择非常有信心，只需遵循整个数据表中的方程式（注意：COUT1和COUT2没有显示任何值，因为它们用于满足具有不同电容器封装限制的任何未来项目的需求）。

注意：我没有包括组件值的计算，因为它不是问题的范围，但是可以在示意图中看到这些值。如果出于任何原因需要它们，我可以提供我所有工作的编辑。

我的第一个问题是关于Radj，如数据表第 18-19 页的设计示例所示，限流比较器偏移和ADJ 引脚灌电流容差会导致实际限流值处于相当大的范围内。如果我要离开有什么问题吗Radj1作为一个开路，连接一个输出负载，将吸收〜6A，然后调整微调电位器的值Radj2直到电流限制在5A？

我剩下的问题是关于董事会的布局。这是我的第一块具有更高频率和更大电流的 PCB，所以我希望有很多东西要学。使用 pg23 上的布局示例、本指南以及发布的其他有关高频、大电流和围绕电感器布线的问题，我有这样的理解：

  1. 必须最小化loop1：D1−>L1−>Cout−>D1
  2. 必须最小化loop2：Cin−>Rsns−>Q1−>L1−>Cout−>Cin
  3. 从连接Rsns到 ISEN 引脚必须是开尔文连接
  4. 尽可能避免在电感器下方运行所有走线和倾倒物，以尽量减少感应噪声/电流
  5. 高载流走线必须粗而短
  6. 使反馈走线远离电感器和其他噪声走线
  7. 尽可能避免对高开关信号使用过孔

考虑到所有这些，我的第一次尝试如下所示。值得注意的是，最大开关频率（发生在Vout=max) 约为 420kHz。作为参考，走线的厚度为：N$6 为 1.68mm（由于空间充足，可能会做得更厚），输出端 J4 的 VOUT 为 3mm，小信号走线为 0.254mm。使用在线走线宽度计算器可在 1.68mm 走线上产生约 23C 的温升。

这不是最新的设计，它留在这里讲故事，请参阅 EDIT 在此处输入图像描述 显示循环的大小： 在此处输入图像描述

我主要担心的是：

  • 这些迹线厚度在正确的范围内吗？
  • 我已尽我所能最小化循环，但如果这是一项糟糕的工作，请告诉我
  • LM 5085 下方的两个过孔用于将输入端子 J3 连接到顶层 GND 浇注。我认为避免这种情况的唯一方法是在 FB 迹线上（从 CFF 到 LM5085）上使用通孔，以允许顶层迹线从 J3 运行到顶层接地层。我没有在当前布局中选择它，因为要求 FB 走线需要远离噪声，上述布局指南中的图 7-c但是确实使用了过孔，所以这可能是一种可能性吗？我在这里应该优先考虑什么？在一层上直接FB连接还是在没有过孔的情况下将地连接到输入端？
  • 栅极信号还包含 2 个过孔以允许接地层到达输入电容器和二极管，另一种方法是将其作为顶层走线并使用过孔将电容器连接到底层 GND 浇注。这里的性能更糟糕的是什么？通过 via/s 将输入电容连接到 GND 或在 420kHz 下运行的信号上有两个过孔？
  • 如果还有什么我忽略或可以改进的地方？

我知道这是一个冗长的阅读，所以非常感谢您的任何帮助和建议，当降压完成和测试时，我会发布结果！

编辑 1

在查看了链接的评估板布局后，我重做了电路板，尝试只进行必要的调整： 在此处输入图像描述 原始原理图已更新为新设置，我现在使用“降低纹波级别”配置。

组件更改：

  • Cout现在是陶瓷的
  • 电感器现在是 SMD 和更小的封装尺寸
  • 消除了过时的修剪器（RFB1)
  • 价值观Cin更改，现在包括旁路盖
  • 将 Q1 更改为 to220 封装以允许更好的散热（由 D1 共享）

向@Ali Chen Re致辞：“设计的目的是什么？对于 1.25V，与 15V 输出的最佳值会有很大不同”

目的是构建一个 SMPS，其操作类似于台式电源，但可以包含在更大的项目中。你是对的，对于不同的输出，最优化的组件值集会有所不同，但就我的目的而言，项目工作就足够了，获得最大效率/最小输出纹波等不是我的优先事项。

我对组件值的看法（如果有误，请纠正我）是使用 excel 给出 1.25-15V 输出范围内的关键数据（Vo(ripp),VFB(ripp),IL(ripp)等）然后将这些与监管机构的要求（例如VFB(ripp)>25mV) 来查找适用于所有输出的组件值。

我欢迎对这个新设计提供反馈，我的新担忧是：

  • 开尔文连接是否开启Rsns可以接受吗？
  • 热与无热？评估板上的布局不使用热量，我已将它们用于大多数连接。只要进入焊盘的所有走线的组合可以处理电流，这会好吗？
  • 还有其他想法吗？

编辑 2

听从@winny 的建议，我通过背靠背安装 D1 和 Q1 来减小布局的大小。还建议将 Cin 移近 Q1，所以我尝试了这个。Cin1 是由评估板布局决定的电解槽的原始位置。Cin4 是我试图将其移近的尝试，这是一个更好的位置吗？还是它的接地端子现在离环路太远了？ 在此处输入图像描述 最后，在高达 420kHz 的频率下使用电的有效性受到质疑。该板的输出为 1.25-15V，这意味着它的频率实际上将在 40-420kHz 范围内，因此我希望电有助于减少较低输出处的纹波。（也在考虑将频率范围调整到20-200kHz）

1个回答

您的问题非常模糊，这可能就是为什么没有人回答它的原因。

所以，我假设你打算你的问题或多或少是这两个具体问题：

1. 会起作用吗？

不，它不起作用，原因与您的布局无关。

您陷入了将“可调整”误认为“可变/可变”的常见陷阱，这是可以理解的。可调输出稳压器意味着您可以调整它将调节到的固定输出电压，而不是固定输出电压。零暗示它会在变化的输出电压应用中工作良好，甚至完全没有。当然，变化意味着调节后的输出电压会在运行期间发生变化。所有可调的意思是你可以调整一个固定的输出。在运行期间它仍然是固定的。这就是为什么数据表中的所有示例以及评估板都具有固定输出的原因。

现在，“可调”一词也没有暗示它不能用于变化的输出应用程序。但重要的是要了解，如果某个部件是可调节的，则没有理由认为您可以在运行时改变输出，或者该部件旨在或设计这样做。您必须逐个确定。

您选择了一个恒定导通时间 (COT) 迟滞控制器，对于变化的输出来说这是一个不错的选择，但是这部分在设计时并未考虑到这一点。COT 控制器对其反馈路径中的噪声极为敏感。通常，为可变输出设计的 COT 将有一个专用控制引脚，该引脚不会直接位于反馈路径中，从而大大降低了这种灵敏度（具体方法取决于部件）。LM5085 上没有这样的引脚。

这很重要，因为 COT 控制器几乎可以肯定不会容忍有一些嘈杂的碳雨刷器从字面上机械地刮掉更多的碳以及任何已经进入所述雨刷器表面的手指碎屑和猫屑（或其他任何东西）。迟滞控制器的核心是一个比较器振荡器，使其具有极高的增益，并受噪声影响，这些噪声甚至不会在更常见的电流模式误差放大器中记录下来。它甚至可能不会容忍一个电位器只是坐在那里，在操作过程中也没有调整。如果你把它放在足够远的地方，它不会以电容或吸收方式（如天线）耦合到你的开关节点，那么你的走线无论如何都太长了，并且充当了出色的自 EMI 拾取天线。

如果你想改变这个控制器的输出，你必须在没有嘈杂的机电材料（不允许移动部件！）或改变反馈路径的实际电阻的情况下这样做。您将需要使用电流注入，可能需要使用电流输出 DAC。是的，这是一项艰巨的任务。不，没有办法解决它。就是这样或者选择了更传统的电流模式 PWM 控制器。

值得一提的是，注入电流并非特定于 COT，而是可以用作一种非常有效、可靠且低噪声的方法来改变任何控制器的输出电压，通过线性、PWM、迟滞等。它是相当普遍的。

而且，这实际上是非常愚蠢的运气，实际上有一篇 TI 博客文章展示了完全按照我在您的确切部分中描述的操作！耶！

第二个问题：

2. 布置降压转换器时应遵循哪些准则？

所以，你主要是担心错误的事情，或者担心很多无关紧要的事情，而很少担心会做的事情。

首先，一些快速说明：

  1. 5A 并不是真正的高电流，您的输出电流实际上并不能说明电路中会出现什么电流。在降压转换器中，通常会在某些区域出现多次输出电流。

  2. 您的板上没有任何东西是高频/更高频率的。高频，在布局的背景下，从数百兆赫开始。以千赫为单位测量的任何东西都不在高频的两个数量级之内。

  3. 我认为您混淆了 dV/dT 引起的振铃和您的开关频率。当切换器的各种布局应用笔记谈论高频时，这与您的切换频率无关。事实上，400KHz 的同一个转换器会以与 40KHz 相同的频率振铃。

所讨论的高频 EMI/噪声取决于开关（在您的情况下为 MOSFET 和二极管）的上升时间 dV/dT，以及开关节点中涉及的寄生电感和电容。请记住，所有东西都有寄生电容（如果中间有电介质/绝缘体），任何导电的东西也是电感器。如果你有一个电容器或电感器串联或并联，或者只是看着对方很有趣，你会得到什么？是的，你得到一个 LC 谐振槽。通常，寄生电容太小而无所谓，但是 MOSFET 的输入电容，以及直接通过 MOSFET 将数十安培电流倾倒到连接到电感器一根引线的开关节点的输入电容......他们绝对重要。和他们'

大多数时候，他们会被忽视，因为敲响这样的钟需要非常快的打击。不幸的是，我们的 MOSFET 非常适合敲响这个钟声并哄它振铃。上升时间越快，响铃的声音越大，频率越高。您可能每秒打开它 40,000 次或每秒 400,000 次，但无论您每秒打开多少次开关，它每次打开的速度都一样快且坚硬。这就是我的意思是你的开关频率不相关。

在降压转换器中，您主要关心的是输入，而不是输出。最重要的是，您希望将输入电容器尽可能靠近高端和低端开关。 这是您的交换节点。响铃的那个。而close as possible意味着尽可能接近。 1 纳亨将产生有意义的差异。是的，1 纳亨。每一毫米都很重要。

您还希望输出电容器的接地尽可能靠近输入电容器的接地。但这是次要的，并且需要优化，而不是以输入电容器靠近开关为代价。降压转换器的工作原理是在输入端吸收大量但短暂的电流，该电流先于较慢的感应电流斜坡，构成我们纹波电流的一个周期。

所以，当然那些 TO-220 零件需要去。那条引线和键合线可能仅增加 5 个纳亨！您需要一个良好的表面贴装封装，其漏极/源极电感以数百皮亨为单位。不是一些笨重的 TO-220，它可能是一座摩天大楼，它站在这些引线上有多高和多远。毫米浪费。

哦，唯一重要的电容器是你的陶瓷。电解的ESL太多，在100KHz或150KHz的高频下完全是阻性的，即使频率足够低也只能滤掉纹波电流。还记得 MOSFET 打开的速度和强度吗？电解液完全无法在开关要求的纳秒上升时间内释放电荷。他们的电感阻止了它，所以虽然他们甚至没有从他们的板上释放第一个电荷对，但那个开关已经降低了你的电压（没有电容缓冲器能够做出反应）并且你的开关纹波已经把它们全部射回了任何供电的地方您的 DC/DC 转换器。在低频下，这些高频谐波会直接通过电解液而不会衰减。

电解是为了消除低频下降并提供大量的去耦，但它们在主开关回路附近的任何地方都没有用，即使在较低频率下，仍然应该在它们前面有一个陶瓷电容器，最靠近你的开关节点。

就您需要担心的噪声（至少来自开关）而言，陶瓷是唯一具有电容的东西。

现在，这些事情都不一定会阻止您的电路工作。这不是一个完整或详细的指南，但同样，我正在回答一个模糊的问题，因此只能给出模糊的答案。希望这至少能让您更好地了解正在发生的事情，并且应该作为继续学习的良好起点。

稍后我可能会编辑此问题并添加更详尽的列表，但我现在需要上床睡觉。对不起！

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