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【原创:电源PCB设计整改】降低DC-DC 输出电压纹波

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beyond_笑谈
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LV8
副总工程师
  • 2023-12-24 12:17:37
控制器中经常用到DC-DC芯片进行电压降压(buck)或升压(boost),开关电源的质量好坏并不只是由原理图和元器件参数决定,PCB layout的质量对于电源系统的性能也非常关键。本次就分享早些年一次buck电路整改案例,从而说明PCB layout对于开关电源性能的重要性。下图为原理图,早些年的资料,转PDF时有些字符格式会不匹配丢失
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beyond_笑谈
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LV8
副总工程师
  • 2023-12-24 12:22:48
 
电路板为圆形,并且尺寸很有限,所以第一版时,将PMIC放置在PCB顶层,其他的输入电容,采样反馈电阻,续流二级管等都放在了PCB底层,通过打过孔连接,如下图。

PCB-BOTTOM

PCB-BOTTOM
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beyond_笑谈
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LV8
副总工程师
  • 2023-12-24 12:31:06
 
由于PCB Layout质量较差,导致buck芯片在高频开关工作下,pcb trace的寄生感抗较强,从而导致SW点的振铃很强,输出电压质量很差。
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beyond_笑谈
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LV8
副总工程师
  • 2023-12-24 12:40:18
 
吸取了这次教训之后,重新浪费时间画了一块电路板,原理图和元器件没变,只是更改了PCB layout,如下图
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beyond_笑谈
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LV8
副总工程师
  • 2023-12-24 12:41:33
 
更改后输出电压的测试结果就比第一版的明显好太多。
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wangdongchun
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LV12
专家
  • 2023-12-24 12:40:49
 
楼主分享的经验之谈非常不错,在此请教一下:在实际维修中电感的质量往往能左右一个电路的性能,那么针对该元件的选择困难症和判别有什么好的经验吗?
beyond_笑谈
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LV8
副总工程师
  • 2023-12-24 12:54:07
 
王工您好,个人鄙见:最好是根据电感的用途和实际电路去看待。比如在本次讲的DC-DC电路中,电感的感量会影响到输出纹波,但是由得平衡PCB的尺寸以及成本。如果在大功率产品的LC滤波器中不同电感的额定电流和饱和电流一样的前提下,电感的材质(比如粉末铁芯,铁氧体)也会影响到电路性能,并且截止频率也会稍有不同。曾经在汽车功放的LC滤波器设计中,测试过电感工作时进入谐振频率的温升,非常高。这种情况下,如果电感质量不佳,不仅影响性能(饱和状态失去滤波性能),还会有烧毁风险(漆包线因为高温损坏,甚至贴片电感脱落)。
wangdongchun
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LV12
专家
  • 2023-12-24 13:36:27
 
多谢楼主分享,实际工作中遇到过电感器件使用一段时间后,不知什么原因而导致电路无**常工作,有些同行认为是磁芯问题,有些认为是绕组绕制问题。
beyond_笑谈
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LV8
副总工程师
  • 2023-12-24 13:06:16
 
开关电源虽然就简单的几个到十几个元器件,但是涵盖了很多电子技术点。小至各元器件参数选择和不同工作频率和温度下误差的计算,大至不同产品和应用领域的实际应用设计。并且各拓扑结构的性能分析计算也适用于其他技术领域,比如电机的驱动拓扑结构中,就会开关电源设计中体现。
nc965
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版主
  • 2023-12-24 16:26:41
  • 倒数10
 
BucK布局技巧其实只有一条:
输入电容(C3)、二极管(D1)、开关(56PIN),3个元件、6个焊盘、焊盘靠焊盘。焊盘的靠拢程度决定了(你这两板)布局效果的优劣程度。

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不要被官方DEMO骗了 ---- 比如你这个图、居然把地分成两边,还有的芯片把GND做得很大 ---- 其实那只是个等电位散热连接、根本没有电流。

beyond_笑谈
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LV8
副总工程师
  • 2023-12-25 09:03:22
  • 倒数9
 
有道理,buck应用中降低电流环路很关键~~~
第二版的buck输入和输出地信号都在底层,连在一起的。原理图左边和右边都是一个网络,不过没画在一起。
nc965
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版主
  • 2023-12-25 10:07:13
  • 倒数7
 
步骤:
1、脉冲电流回路(C3\D1\U1.56)最小化

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2、VCC电容(C4\U1.16)钉在芯片上

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3、拓扑电流回路(L1\C5\D1)最小化

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4、高阻抗输入端子U1.FB(视为热点)分布范围最小化

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5、增加C2,使容性元件与感性元件体积大致相等、输入电容与输出电容体积大致相等

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6、最后考虑屏蔽热点(136PIN用地包围起来),考虑米勒耦合、考虑热源(U1、D1、L1)散热,考虑端子、考虑汇流、考虑边框、考虑工艺、各种挪移,最后定形

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beyond_笑谈
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LV8
副总工程师
  • 2023-12-26 11:56:32
  • 倒数6
 
一看就是有经验~~
输出端的续流D1的正极最好是以最小阻抗(打过孔到反面GND,或者铜箔加粗)回到电解电容的GND,做的好~~
C4 的放置离U1要近,不过需要考虑到贴片机的工艺要求(DFM: Design For Manufacture)。
FB要远离SW信号,做的好。可以考虑在R1的过孔那边放一个MLCC,对地形成 LC滤波。
beyond_笑谈
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LV8
副总工程师
  • 2023-12-26 13:05:07
  • 倒数4
 
电压反馈的整个过孔,个人感觉最好还是放在电解电容电容处。并且在反馈电阻的输入端(或者电解电容并联处),放一个MLCC。MLCC的转折频率点比电解电容高多了
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nc965
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  • 2023-12-27 11:42:26
  • 倒数3
 
其实最要紧的是第一步U1\D1\C3的布局,你两版的差异就是第一步的差距,第一版D1甚至不在视界内,第二版C3与D1的焊盘还远远没有靠上,还有相当优化余地
意思后面的步骤的考虑都次要得多,包括C5并联一只MLCC(对缩短拓扑电流回路)的改善效果微乎其微,R1R2只对近3PIN端热点范围有要求,远端是地、可以随意,它是环路,在穿越频率运行,比开关频率低一个数量级、比毛刺频率低3个数量级,需要的是阻尼和ESR,面对电解比MLCC会更从容一些
最后的步骤6在13楼已经刷新,R1的接地端连线顺便对热点屏蔽,有单面强迫时,R2的接地连线也可以照此办理,无不良影响,这两个都是无(微)电流等电位低频连接,选择连接点没有意义。

2.png
beyond_笑谈
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LV8
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  • 2023-12-25 09:13:16
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有些GND上面打通孔就是用过热过孔的
木木很-shy
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LV8
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  • 2023-12-26 12:37:32
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跟李工学习了,这种方案应该是最优的
tlhuaz
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跟李工学习了,这种方案应该是最优的
power3
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