概述
使用MAX16922等高頻開關(guān)調(diào)節(jié)器時，合理的PCB布線不僅提供干凈的電源輸出，還可大大節(jié)省解決EMI問題的調(diào)試時間。本應(yīng)用筆記概述了相關(guān)電路設(shè)計的要點，其中優(yōu)化布線可提供諸多好處。
基本布線原則
- OUT1：盡量減小輸入電容(C1)、電感(L1)、二極管(D1)和輸出電容(C2)的環(huán)路面積。
- OUT2：盡量減小輸入電容(C3)、電感(L2)和輸出電容(C5)的環(huán)路面積。
- 將電源地(第9引腳和二極管D1的陽極)在靠近MAX16922下方裸焊盤處通過單點連接到其余地平面。這種連接方式可以降低耦合到器件誤差放大器的噪聲。
- 采用盡可能短和寬的引線。
優(yōu)化AC-DC電流通路
MAX16922的開關(guān)調(diào)節(jié)器是器件的最大輻射源。為了降低輻射，開關(guān)調(diào)節(jié)器的無源元件布線非常關(guān)鍵。存在電流階躍的通路可看作是交流電流通路，將在開關(guān)的通、斷周期內(nèi)有電流流過的通路去掉，即得到交流電流通路。可以把在開關(guān)的通、斷周期內(nèi)有電流流過的通路看作直流電流通路。
OUT1交流電流通路
DC-DC轉(zhuǎn)換器(OUT1)具有五個無源元件(C3、C5、C12、L1和D1)，它們直接連接在開關(guān)電流通路。這五個元件對OUT1的輻射和性能有很大影響。圖1所示為開關(guān)接通期間(內(nèi)部DMOS開關(guān)導(dǎo)通)的電流通路。圖2所示為開關(guān)斷開期間(內(nèi)部DMOS開關(guān)關(guān)斷)的電流通路。兩個電流通路的過度位于電流突變期間，可看作是交流電流通路(圖3)。優(yōu)化元件D1、C3和C5的布線對于提高性能最為重要，其次是L1和C12。
圖1. DMOS導(dǎo)通時的OUT1電流通路
圖2. DMOS斷開時的OUT1電流通路
圖3. OUT1的交流電流通路給出了兩者的過度
OUT2交流電流通路
同步整流DC-DC轉(zhuǎn)換器(OUT2)具有三個無源元件(C10、C13和L2)，直接連接在開關(guān)電流通路。與OUT1類似，這三個元件對OUT2的輻射和性能有很大影響。圖4和圖5所示為開關(guān)通、斷期間的電流通路。圖6所示為兩個電流通路的過度，即最高di/dt。優(yōu)化元件C10的布線對于提高性能最為重要，其次是L2和C13。
圖4. PMOS導(dǎo)通時的OUT2電流通路
圖5. DMOS導(dǎo)通時的OUT2電流通路
圖6. OUT2的交流電流通路給出了兩者的過度
OUT1自舉電路的交流通路
DC-DC轉(zhuǎn)換器(OUT1)采用一個高邊DMOS器件，它需要一個比LX1引腳(DMOS的源極)電壓高出5V的電源。為了產(chǎn)生這個電壓，采用一個自舉電容連接到LX1和BST之間(圖7)。DMOS關(guān)斷期間，自舉電容(C4)由5V LSUP穩(wěn)壓器充電。LSUP輸出還用于誤差放大器供電。因此，須盡可能保持一個低噪的LSUP電源，以消除噪聲對誤差放大器的負(fù)面影響。最好的辦法是降低C4與MAX16922之間的引線電感。將C4盡可能靠近第19引腳(GND)和第17引腳(LSUP)放置，不要使用任何過孔。
圖7. OUT1自舉電容的交流通路
在LX節(jié)點增加緩沖
為了降低開關(guān)噪聲，在不明顯影響電源效率的前提下，LX1的上升/下降時間應(yīng)盡可能慢。為了進(jìn)一步降低輻射，可以在LX1引腳增加一級RC衰減器，抑制LX1的振鈴。作為經(jīng)驗值，推薦選用不超過330pF的電容，以確保不會顯著影響效率，它也是達(dá)到這一目的所需要的最小電容；建議使用2Ω電阻。圖13所示原理圖中，緩沖器為可選電路，由R2和C13構(gòu)成。
LX2的升/降時間比LX1快很多。因為LX2與主輸入電源相隔離，通常不需要考慮傳導(dǎo)輻射問題。但是，在一些案例中，LX2也會對其它器件和/或連接器引腳造成輻射。同樣可以在LX2增加一個緩沖器來降低輻射。可以選擇同樣參數(shù)的元件，電容應(yīng)≤ 220pF，配合使用8Ω至20Ω的串聯(lián)電阻。
四層PCB布線實例
圖8至圖11給出了一個四層PCB的布線實例，滿足本應(yīng)用筆記提出的布線準(zhǔn)則。圖12標(biāo)注了開關(guān)通、斷期間的交流、直流通路。
圖8. 頂層
圖9. 底層
圖10. 內(nèi)部第1層，電源地層。
圖11. 內(nèi)部第2層，地層。
圖12. 電流通路：黑色表示開關(guān)導(dǎo)通期間；橙色表示開關(guān)斷開期間；紅色是兩者的過度。
主電源濾波
主電源的濾波也非常重要，它是降低器件傳導(dǎo)輻射的最后一個關(guān)鍵位置。對于MAX16922等高頻開關(guān)調(diào)節(jié)器，傳導(dǎo)輻射通常發(fā)生在FM射頻波段(76MHz至108MHz)。為了降低輻射，可以針對該頻段增加一個高阻磁珠和/或諧振頻率高于108MHz的電感。
結(jié)論
對于MAX16922開關(guān)調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵無源元件進(jìn)行合理布線，能夠大大降低信號源的噪聲和輻射，在項目驗證階段節(jié)省大量的時間和精力。
表1. 元件列表
| Designation | Qty | Description |
| C1 | 1 | 47µF, 25V electrolytic capacitor |
| C2–C3 | 2 | 47nF, 50V ±10% X7R 0603 ceramic capacitors |
| C4 | 1 | 1µF, 10V ±10% X7R 0603 ceramic capacitor |
| C5 | 1 | 4.7µF, 50V ±10% X7R 1210 ceramic capacitor |
| C6 | 1 | 100nF, 10V ±10% X7R 0402 ceramic capacitor |
| C7 | 1 | 4.7µF, 10V ±10% X7R 1206 ceramic capacitor |
| C8–C9 | 2 | 2.2µF, 10V ±10% X7R 0805 ceramic capacitors |
| C10–C12 | 3 | 10µF, 10V ±10% X7R 1206 ceramic capacitors |
| C13 | 1 | 100pF, 50V ±10% X7R 0402 ceramic capacitor |
| R1 | 1 | 20kΩ ±1% 0402 resistor |
| R2 | 1 | 2Ω ±5% 0402 resistor |
| L1 | 1 | 4.7µH inductor |
| L2–L3 | 2 | 2.2 µH inductors |
| D1 | 1 | MBR140SFT1 Schottky diode |
| D2 | 1 | ES1D diode |
| U1 | 1 | MAX16922ATPA/V+ quad-output PMIC |
圖13. PCB布線原理圖