布线指南:提高汽车电源性能、降低电磁辐射
使用高频开关稳压器时,好的汽车电源 PCB 布线可以提供更干净的输出,并且简化 EMI 测试中的调试工作。
本文以 MAX16903/MAX16904 开关稳压器设计为例,介绍如何布线以获得最佳的性能,并降低辐射。
引言使用高频开关稳压器(如 MAX16903/MAX16904)时,好的汽车电源 PCB 布线可以提供更干净的输出,并且简化电磁干扰(EMI)测试中的调试工作。
本文以 MAX16903/MAX16904 开关稳压器设计为例,介绍优化系统性能的布板原则。
布线通用规则将输入电容 C3、电感 L1 和输出电容 C2 形成的环路面积保持在最小。
BIAS 输出电容(C4)尽可能靠近第 13 引脚(BIAS)和第 14 引脚(GND)放置,引脚和电容之间不要出现过孔。
这是 IC 的模拟电源输入,阴线上的任何电感都会在 BIAS 电源引入噪声,从而增大 LX 输出的抖动。
使用尽可能短的引线。
优化 AC-DC 电流路径为了尽可能降低电磁辐射,MAX16903/MAX16904 外围元件的布局非常关键。
电流跃变的路径称为交流路径,出现在开关 ON/OFF 操作时。
开关接通 / 断开(ON/OFF)之后,电流路径的电流为直流路径。
交流路径MAX16903 同步 DC-DC 转换器的开关电流通路需要 3 个无源元件(C2、C3、L1),这三个元件对电磁辐射和器件性能的影响非常大。
图 1、图 2 给出了 ON、OFF 周期的电流路径;图 3 说明了出现最高 di/dt 的两个电流路径的差异。
应优先考虑 C3 的布线,其次是 L1 和 C2 的布线。
图 1. PMOS 导通状态下的 OUT2 电流路径图 2. DMOS 导通状态下的 OUT2 电流路径图 3. OUT2 交流路径的差别自举交流路径MAX16903/MAX16904 DC-DC 转换器使用了一个高边 DMOS 管,要求在 LX 引脚(DMOS 源极)产生高于 5V 的电压。
为了产生该电压,需要在 LX/BST 引脚之间连接一个自举电容(图 4),DMOS 处于 OFF 期间,5V BIAS 稳压器对自举电容 C1 充电;BIAS 输出还为误差放大器供电。
因此,须尽可能保持干净(低噪)的 BIAS,以免对误差放大器造成负面影响,在 C4 和 MAX16903/MAX16904 之间保持尽可能小的电感,C4 应尽可能靠近 14 脚(GND)和 13 脚(BIAS)放置,不要增加过孔。
图 4. 自举电容交流路径扩频对于改善布线也无法通过用户测试的情况,可以定制具有时钟扩频的 MAX16903/MAX16904 产品,具有扩频功能的器件与标准版本的器件相比能够使 FM 频带的噪声降低 15dB。
有关定制扩频版本器件的流程,请参考数据手册中的相关说明。
举例:两层 PCB 板布线,器件采用 TSSOP 封装图 5 和图 6 按照上述布线原则设计电路板,采用两层板。
图 5. 两层板布线(顶层),器件为 TSSOP 封装图 6. 两层板布线(底层),器件为 TSSOP 封装举例:两层板布线,器件采用 TDFN 封装图 7 和图 8 给出了一个两层板的布线示例。
图 7. 两层板布线(顶层),器件为 TDFN 封装图 8. 两层板布线(底层),器件为 TDFN 封装主电源滤波主电源滤波非常重要,因为进入模块之前最后一个降低电磁辐射的机会。
对于高频开关稳压器,如 MAX16903,传导辐射大多出现在 FM 频段(76MHz-108MHz)。
为了降低辐射,可以增加一个在此频带具有较高阻抗的铁氧体磁珠,或者是谐振频率大于 108MHz 的电感。
结论针对开关稳压器 MAX16903 (图 9)外围元件的合理布局,有助于从源头降低噪声和电磁辐射,有助于节约项目评估阶段的宝贵时间,简化设计。
表 1. 元件列表图 9. 用于 PCB 布板的原理图