Особенности проектирования топологии печатной платы для высокочастотного импульсного понижающего стабилизатора напряжения

№ 5’2015
PDF версия
В статье приведены практические рекомендации по топологии и трассировке печатной платы в зоне размещения высокочастотных импульсных стабилизаторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией, формирующих потенциалы питания для цифровых СБИС. Рассмотрено пять основных шагов, описывающих в приоритетном порядке этапы расположения электронных компонентов импульсного стабилизатора и организации соединений этих компонентов на печатной плате на примере микросхемы Texas Instruments TPS62130A. Материал полезен разработчикам узлов понижающих стабилизаторов напряжения, а также проектировщикам печатных плат в части топологии узлов питания. С учетом данных рекомендаций предложен вариант топологии понижающего стабилизатора напряжения на основе отечественной интегральной схемы 1310ПН1У производства ЗАО «ПКК Миландр».

В современной цифровой электронике широкое распространение получили импульсные понижающие стабилизаторы напряжения. Это обусловлено требованиями к питанию цифровых интегральных схем, потребляющих значительные токи — единицы и десятки ампер — при напряжениях около 1 В. Применение для таких целей традиционных линейных стабилизаторов напряжения неэффективно в силу больших потерь мощности на регулирующем элементе (силовом транзисторе), поскольку входной ток линейного стабилизатора примерно равен выходному току, а разница между входным и выходным напряжениями приводит к выделению мощности в виде тепла. Импульсные стабилизаторы используют реактивное сопротивление дросселя переменному току вместо активного сопротивления регулирующего транзистора [3, 4]. Данный принцип обеспечивает выходной ток, существенно превышающий ток, потребляемый стабилизатором по входу, что также называют преобразованием мощности (Power conversion).

Частота работы новых импульсных стабилизаторов напряжения достигает нескольких мегагерц, что, к слову, соответствует тактовым частотам первых микропроцессоров, созданных в 1970‑е годы. Повышение частоты работы импульсного стабилизатора позволяет значительно уменьшить индуктивность дросселя, что, в свою очередь, приводит к сокращению числа витков, снижению паразитного активного сопротивления и уменьшению габарита дросселя. Кроме того, применение высокочастотного импульсного преобразователя предоставляет возможность использовать керамические фильтрующие конденсаторы во входной и выходной цепях стабилизатора. Керамические конденсаторы имеют малые габариты и существенно меньшее паразитное последовательное сопротивление (ESR) в отличие от электролитических конденсаторов.

В качестве примера высокочастотного импульсного стабилизатора предлагается рассмотреть решение от американской компании Texas Instruments, реализованное на основе интегрального регулятора серии TPS6213x. Данные регуляторы представляют собой микросхемы в миниатюрном корпусе VQFN‑16 с шагом выводов 0,5 мм и центральной тепловой контактной площадкой (Exposed Thermal Pad). В плане данный корпус имеет форму квадрата размерами 3×3 мм, в профиле максимальная высота корпуса составляет 1 мм (рис. 1).

Корпус VQFN 16 с тепловой контактной площадкой (вид снизу)

Рис. 1. Корпус VQFN 16 с тепловой контактной площадкой (вид снизу)

Центральная площадка корпуса согласно документации на микросхему [6] выполняет две функции: отвод тепла от кристалла во внутренние слои печатной платы и электрическое соединение с нулевым потенциалом («землей») GND. При этом центральная контактная площадка должна быть точкой объединения аналогового нуля AGND (Analog GrouND) и силового нуля PGND (Power GrouND).

В документации на микросхемы TPS6213x [6, 7] приведен пример рекомендуемой топологии посадочного места на печатной плате. Согласно этим рекомендациям составлен рис. 2, на котором также отражено назначение выводов корпуса.

Топология посадочного места и назначение выводов микросхемы импульсного регулятора напряжения TPS62130

Рис. 2. Топология посадочного места и назначение выводов микросхемы импульсного регулятора напряжения TPS62130

В пределах центральной контактной площадки рекомендуется расположить пять переходных отверстий диаметром 0,3 мм, которые призваны обеспечить надежный теплоотвод на внутренний слой-полигон печатной платы, электрически соединенный с нулевым потенциалом питания — GND.

Микросхемы серии TPS6213x поддерживают широкий диапазон входных напряжений питания от 3 до 17 В и обеспечивают выходной ток стабилизатора до 3 А. Частота работы составляет 1,25 МГц при высоком уровне на входе FSW либо 2,5 МГц — при низком уровне напряжения (нуле).

Выходное напряжение стабилизатора TPS62130 определяется внешним делителем напряжения, причем опорное напряжение (равное напряжению на выводе обратной связи FB — feedback) составляет 0,8 В, что достаточно для формирования потенциалов питания большинства современных цифровых СБИС.

Стабилизаторы на основе TPS62131, TPS62132, TPS62133 имеют встроенный делитель, их выходное напряжение зависит от типа микросхемы и составляет 1,8, 3,3 и 5 В соответственно. Применять для изменения выходного напряжения вывод обратной связи FB в таких стабилизаторах невозможно в силу того, что он подтянут к нулю внутренним резистором Pull-Down и не подключен к внутреннему компаратору. Для формирования других стандартных напряжений из ряда 2,5, 1,5, 1,35, 1,2, 1,1, 1 В и менее 1 В следует использовать микросхему TPS62130 с внешним резистивным делителем в цепи обратной связи.

Преимуществом микросхем серии TPS6213x, помимо значительного выходного тока и малого габарита корпуса, является простота принципиальной электрической схемы, имеющей минимальное количество пассивных электронных компонентов. Схема включения регулятора напряжения TPS62130 в стабилизаторе с выходным напряжением 3,3 В, аналогичная схеме из статьи [5], показана на рис. 3.

Принципиальная электрическая схема стабилизатора напряжения 3,3 В на основе интегрального регулятора TPS62130

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема стабилизатора напряжения 3,3 В на основе интегрального регулятора TPS62130

В приведенной на рис. 3 схеме используется два обозначения нулевой цепи: аналоговый ноль, помеченный литерой «A» (Analog), и силовой ноль, помеченный литерой «P» (Power). Соединение аналогового и силового сегментов должно выполняться на выводе тепловой контактной площадки — ETP (Exposed Thermal Pad).

Аналогичным образом выполнено разделение выводов питания: положительный входной потенциал для силовой цепи подается на выводы PVIN (Power Voltage INput), а питание аналоговых и слаботочных узлов микросхемы TPS62130 осуществляется по выводу AVIN (Analog Voltage INput).

Назначение выводов микросхем интегральных регуляторов напряжения серии TPS6213x приведено в таблице 1.

Таблица 1. Назначение выводов микросхем серии TPS6213x

Вывод

Вход/Выход

Функциональное назначение

Номер

Название

1

SW

Силовой выход

Коммутируемая цепь, управляемая внутренними силовыми КМОП-ключами. Дроссель подключается между этими выводами и выходным конденсатором

2

3

4

PG

Сигнальный выход

Высокий уровень, формируемый внешним Pull-UP, сигнализирует о достижении выходным напряжением требуемого номинала. Открытый сток

5

FB

Вход ОС

Вход обратной связи для TPS62130. Для улучшения теплоотвода TPS62131, TPS62132 и TPS62133 рекомендуется соединять с сегментом цепи AGND

6

AGND

Аналоговый ноль

Рекомендуется прямое соединение с тепловой контактной площадкой — ETP и полигоном нулевого потенциала печатной платы — GND

7

FSW

Управляющий вход

Вход выбора частоты преобразования: низкий уровень — 2,5 МГц, высокий уровень — 1,25 МГц

8

DEF

Управляющий вход

Вход выбора добавочного выходного напряжения: низкий уровень — 100% от номинала, высокий уровень — 105% от номинала

9

SS/TR

Аналоговый вход

Вход управления плавным запуском (Soft Start). Подключение внешнего конденсатора между этим выводом и AGND обеспечивает задержку нарастания внутреннего опорного напряжения

10

AVIN

Аналоговое питание

Вывод питания внутренних управляющих узлов микросхемы. Требуется подключать к общему источнику напряжения с цепью PVIN

11

PVIN

Силовое питание

Входы питания силового каскада КМОП-ключей. Требуется подключать к общему источнику напряжения с цепью AVIN

12

13

EN

Управляющий вход

Вход включения стабилизатора: низкий уровень — стабилизатор выключен,

высокий уровень — стабилизатор включен. Имеет внутренний Pull-Down-резистор

14

VOS

Аналоговый вход

Вход контроля выходного напряжения

15

PGND

Силовой ноль

Входы питания силового каскада КМОП-ключей. Нулевой потенциал

16

ETP

GND

Общий ноль

Теплоотвод кристалла и точка соединения сегментов силового нуля — PGND и аналогового нуля — AGND

Рассмотрим методику из пяти несложных шагов, следование которой позволяет спроектировать работоспособный и надежный импульсный стабилизатор напряжения на основе микросхемы TPS62130. Данная методика изначально была описана в [5].

Трассировка печатной платы в зоне размещения импульсных стабилизаторов напряжения крайне важна, но чаще всего этому предшествует весьма недооцененный шаг, способный помочь в обеспечении качественной и стабильной работы устройства.

Ошибки в топологии печатной платы вызывают разнообразные сбои, например нестабильность выходного напряжения и даже полную неработоспособность устройства. Ситуации, подобные этим, должны быть предотвращены любой ценой, поскольку устранение указанных неполадок обычно требует изменений в топологии печатной платы. Тем не менее таких подводных камней можно легко избежать, если потратить время и усилия на грамотную разработку топологии еще до того, как первая плата будет заказана. В данной статье описано пять простых шагов, выполнение которых обеспечит работоспособность и надежность понижающего стабилизатора напряжения и позволит ускорить серийный выпуск.

При проектировании сервера, планшета или кассового терминала чаще всего прибегают к наиболее проверенному варианту — простому копированию топологии демонстрационной платы, описание которой дано в спецификации на основной компонент стабилизатора. Однако использование этого способа не всегда возможно по разным причинам. В статье описан именно такой случай, что позволяет спроектировать, применяя методику пяти шагов, качественную разводку платы любого интегрального понижающего стабилизатора напряжения серии TPS62. Входящие в его состав транзисторы и компенсационный контур значительно упрощают топологию платы, уменьшая сложность и затраты времени на процесс трассировки. Микросхема TPS62130A приведена в качестве примера понижающего стабилизатора напряжения, который может быть использован в любом из перечисленных выше устройств. Типовая принципиальная электрическая схема включения микросхемы TPS62130A показана на рис. 3.

Первый шаг — размещение и трассировка конденсатора в цепи входного питания. Конденсатор, стоящий на входе, является важнейшим компонентом для надежной работы любого понижающего стабилизатора напряжения. Таким образом, он должен быть размещен на плате сразу после интегральной микросхемы (ИС). Соедините конденсатор с ИС сразу после размещения, чтобы ни одна другая цепь не могла быть оттрассирована между ними. Излишняя магнитная индуктивность между выводами входного конденсатора (питанием и «землей») и выводами питания ИС создает чрезмерные колебания напряжения вследствие переключения силового каскада стабилизатора, что ясно следует из формулы V = L×dI/dt. Это может привести к выходу из строя ИС.

Поместите входной конденсатор настолько близко к ИС, насколько это позволяют технологические ограничения монтажа. Соединение конденсатора и микросхемы лучше выполнять полигонами. Использование такого широкого и короткого соединения помогает минимизировать индуктивность. Добавьте переходные отверстия для соединения с полигонами входного напряжения и «земли». Размещение переходных отверстий будет описано в пятом шаге ввиду меньшей важности. На рис. 4 показано правильное расположение и подключение входного конденсатора к ИС. Два варианта изображены таким образом, чтобы на них отражалось два доступных положения конденсатора (С1 и С11) с учетом разводки микросхемы TPS62130A (U1 и U11). Первый вывод ИС находится в нижнем правом углу.

Размещение и трассировка микросхемы и входного конденсатора для уменьшения скачков напряжения

Рис. 4. Размещение и трассировка микросхемы и входного конденсатора для уменьшения скачков напряжения

Второй шаг — расположение и подключение катушки индуктивности и, если он используется, демпфера цепи SW. Второй по важности компонент, который требуется разместить и подключить, — это катушка индуктивности и, если он применен, демпфер цепи SW. Схемы с демпфером обычно нужны для уменьшения электромагнитного излучения (ЭМИ) в импульсных стабилизаторах напряжения с помощью замедления фронтов переключения в цепи SW. К сожалению, повышение длительности фронтов снижает КПД из-за увеличения потерь на переключения.

Поскольку напряжение в цепи SW резко изменяется от входного напряжения до «земли» с очень малым временем спада подъема, оно является основным генератором электромагнитного излучения в импульсных стабилизаторах. Современные импульсные стабилизаторы, как правило, содержат некоторые технические решения, уменьшающие электромагнитное излучение, что устраняет необходимость в применении демпфера. Для повышения эффективного снижения ЭМИ на этом шаге следует добавить демпфер из резистора или конденсатора в топологию платы. Демпфер размещается так, чтобы его трассировка между цепями SW и GND была наиболее короткой, что минимизирует ЭМИ [1].

Для уменьшения уровня электромагнитного излучения расположите дроссель как можно ближе к ИС, добиваясь минимально возможной площади проводника цепи SW. Вся медь, соединенная с цепью SW, — одна обкладка паразитного конденсатора, вторая обкладка которого представлена любой другой цепью схемы. Данная паразитная емкость способствует распространению электромагнитных помех. При уменьшении поверхности цепи SW площадь данного конденсатора минимизируется, снижая воздействия помех. Допускается вращение дросселя с учетом сокращения поверхности цепи SW для упрощения соединения с выходным конденсатором (шаг 3). На рис. 5 показано правильное размещение дросселя (L1 и L11) как с RC-демпфером, так и без него (R14 и C15).

Размещение и трассировка катушки индуктивности и RC-демпфера для минимизации помех

Рис. 5. Размещение и трассировка катушки индуктивности и RC-демпфера для минимизации помех

Третий шаг — размещение и трассировка выходного конденсатора и цепи VOS. Расположение выходного конденсатора заканчивает трассировку силовых компонентов (силовых MOSFET-ключей, входного и выходного конденсаторов, катушки индуктивности и необязательного демпфера).

Это последний компонент, подсоединяющийся к силовому сегменту нуля. Он располагается с учетом обеспечения минимальной длины связи от правого вывода дросселя до силового нуля. Неправильное размещение выходного конденсатора обычно влечет нестабильность выходного напряжения.

Все силовые компоненты устанавливаются и трассируются с учетом минимизации расстояния между ними. Обеспечение малых размеров этих цепей позволяет создать условия для наилучшей работы интегрального стабилизатора напряжения. Настоятельно не рекомендуется использовать сквозные отверстия в данных цепях, поскольку они увеличивают паразитную индуктивность в трассировке. В определенных случаях такие отверстия допускается использовать в соединениях цепи SW.

Наиболее критичным слаботочным соединением является цепь VOS, неправильная топология или наводки на которой приводят к плохой регуляции или дрожанию выходного напряжения и даже выходу из строя ИС. Необходимо трассировать цепь VOS как наиболее приоритетную. Важно минимизировать длину трасс этой цепи к выходному конденсатору. Согласно разводке выводов TPS62130A, следует трассировать цепь VOS с двумя переходными отверстиями и выделенной трассой непосредственно к выходному конденсатору. Таким образом обеспечивается приоритет трассировки силовых цепей. Для уменьшения шумов следует изолировать переходные отверстия от всех соединений, кроме цепи VOS и полигона VOUT на верхнем слое. Недопустимо трассировать цепь VOS в TPS62130A напрямую по верхнему слою, так как это нарушает соединение PGND, которое является более важным. На рис. 6 дано правильное расположение и трассировка для выходных конденсаторов C1 и С12, а также правильная трассировка цепи VOS по нижнему слою печатной платы.

Разводка платы и трассировка выходного конденсатора и цепи VOS

Рис. 6. Разводка платы и трассировка выходного конденсатора и цепи VOS

Четвертый шаг — размещение и трассировка компонентов слаботочных цепей. Слаботочные компоненты включают все аналоговые и цифровые элементы, не связанные напрямую с силовым преобразованием. К ним относятся: делитель напряжения цепи обратной связи, конденсатор плавного запуска, а также любые развязывающие конденсаторы малой емкости.

В то время когда более шумные силовые компоненты и их узлы создают шум, аналоговые слаботочные компоненты к нему крайне восприимчивы. Необходимо расположить данные компоненты как можно ближе к ИС с короткой и прямой трассировкой для уменьшения влияния на них помех. Особенно важно минимизировать длину цепи ОС для увеличения ее помехоустойчивости и обеспечения надежной стабилизации напряжения.

Рекомендуется использовать общий сегмент аналогового или «очищенного от шума» нуля, а также располагать все компоненты на одной стороне печатной платы для облегчения трассировки.

Основные проблемы, вызываемые плохой разводкой и трассировкой слаботочных компонентов, заключаются в плохой регуляции выходного напряжения, нестабильном плавном запуске и общих проблемах в работе стабилизатора.

Любые цифровые сигналы, к которым относятся цепи EN и PG, являются наименее приоритетными для размещения и трассировки, следовательно, их нужно трассировать последними. Цифровые цепи обычно имеют источник сигнала с малым сопротивлением. Любые подтягивающие резисторы, как правило, могут находиться в любом месте физической цепи и необходимость их расположения близко к интегральным стабилизаторам напряжения отсутствует. На рис. 7 представлено правильное расположение и трассировка слаботочных компонентов: резисторы ОС (R1, R2 и R11, R12), конденсаторы плавного тока (C4 и C14), развязывающий конденсатор аналогового питания AVIN (C3 и C13) и подтягивающий резистор цепи PG (R3 и R13).

Размещение и трассировка цифровых компонентов и слаботочных аналоговых компонентов

Рис. 7. Размещение и трассировка цифровых компонентов и слаботочных аналоговых компонентов

Пятый шаг — создание общей точки нуля и соединение ее с системной «землей». Необходимо всегда следовать указаниям технической документации, касающимся заземления.

Обычно это означает выделение одного сегмента заземления для силовых компонентов с высоким уровнем шума и отдельного сегмента для слаботочных компонентов, уровень шума у которых достаточно низок.

Это уже выполнено по указаниям в предложенных ранее шагах.

Следующим шагом станет объединение этих заземлений в общей точке, обычно в центральной тепловой контактной площадке под ИС, также требующей соединения с «землей». Возвратимся к рис. 7: единственное изменение в трассировке заземления — полностью залить медный слой между контактами PGND и тепловой контактной площадкой. В документации на TPS62130A данное соединение указано как обязательное. Отсутствие соединения может вызвать проблемы, связанные с помехами, — плохую стабилизацию выходного напряжения и неправильные логические уровни для цифровых входов. Это вызвано сдвигами напряжения во время работы. Правильная топология заземления также улучшает теплоотвод микросхемы.

После завершения трассировки заземления надо соединить стабилизатор напряжения с остальной системой. Так как входное напряжение, выходное напряжение и заземление обычно присутствуют на полигонах во внутренних слоях печатной платы, подключение стабилизатора можно выполнить с помощью переходных отверстий. При заземлении отверстия целесообразно расположить под ИС так, чтобы тепловая контактная площадка проводила тепло внутрь печатной платы. Это необходимо для обеспечения должного теплоотвода от ИС. Сквозные отверстия также помещаются около выводов заземления входных и выходных конденсаторов. Не рекомендуется размещать переходные отверстия на системном слое заземления вблизи выводов слаботочных компонентов, что может увеличить помехи на них. Данные соединения нужно трассировать напрямую к контакту AGND, где они соединяются в одной точке с тепловой контактной площадкой.

Сквозные отверстия также необходимы для соединения входных и выходных напряжений с полигонами питания. Рекомендуется помещать сквозные отверстия вне интегрального стабилизатора напряжения вместо расположения между входным конденсатором и ИC, чтобы не препятствовать размещению критически важных трасс. Хорошим решением является использование одного переходного отверстия на каждый ампер тока. Однако, если позволяет место, следует максимально увеличить количество сквозных отверстий.

Законченная разводка показана на рис. 8.

Законченная разводка платы и трассировка со сквозными отверстиями и общей точкой заземления

Рис. 8. Законченная разводка платы и трассировка со сквозными отверстиями и общей точкой заземления

Всегда сверяйтесь с технической документацией касательно конкретных рекомендаций по разводке печатной платы. Приведенных указаний и примеров достаточно для большинства распиновок интегральных стабилизаторов напряжения. Существует тип разводки, вызывающий замешательство, с которым сталкиваются при использовании корпусов WCPS, таких как у микросхемы TPS62360. Во многих понижающих конвертерах в корпусе WCPS вывод корпуса SW размещен между выводами VIN и GND. Если следовать первому шагу, входной конденсатор блокирует доступ к SW. Исключение представляет случай, когда SW проведен под входным конденсатором. Бытует мнение, что это нежелательно, поскольку трасса должна быть достаточно узкой, чтобы расположить связь между выводами малогабаритного компонента, такого как входной конденсатор. Описанная ситуация, в свою очередь, представлена на рис. 9.

Рекомендованная топология микросхемы TPS62360 с корпусом WCPS [2]

Рис. 9. Рекомендованная топология микросхемы TPS62360 с корпусом WCPS [2]

Предпочтительный способ разводки платы — расположение трассы цепи SW под входным конденсатором. В таком случае трасса будет довольно тонкой и короткой, что сохранит поверхность цепи SW достаточно малой и снизит влияние на нее электромагнитных помех.

Если провести такую трассу не представляется возможным, необходимо использовать сквозные отверстия для соединения выхода SW и дросселя. Отверстия в данном соединении просто увеличат дополнительные электромагнитные помехи из-за большей длины связи.

Однако дополнительная паразитная индуктивность сквозных отверстий не критична, поскольку соединена последовательно с индуктивностью дросселя. Исходя из этого, использование сквозных отверстий является лучшим выбором, чем перемещение входного конденсатора.

В заключение хотелось бы отметить необходимость учитывать требования технической документации и стараться применять топологию демонстрационной платы во время проектирования печатных плат для поиска примеров и конкретных рекомендаций. Но для случаев, когда имеющимися решениями нельзя в полной мере воспользоваться, рекомендуется следовать данным пяти простым шагам:

  1. Разместить и оттрассировать конденсатор в цепи входного питания.
  2. Разместить и оттрассировать катушки индуктивности и демпфер цепи SW.
  3. Разместить и оттрассировать выходной конденсатор и цепи VOS.
  4. Разместить и оттрассировать слаботочные компоненты.
  5. Создать общую точку заземления и соединить ее с системной «землей».

Следование этим рекомендациям приведет к созданию надежной конструкции, которая обеспечит хорошую производительность для серверов, планшетов, кассовых терминалов и любой другой системы, использующей понижающие преобразователи напряжения.

В свете растущего национального интереса к импортозамещению предлагается рассмотреть реализацию понижающего импульсного стабилизатора напряжения на основе отечественной микросхемы 1310ПН1У, выпускаемой ЗАО «ПКК Миландр» как с приемкой ОТК, так и с приемкой заказчика [8]. Микросхема 1310ПН1У представляет собой импульсный регулятор напряжения со встроенными силовыми ключами, рассчитанными на ток нагрузки до 1,5 А, и функционирующий на частоте до 350 кГц.

Опорное напряжение микросхемы 1310ПН1У составляет 1,1 В, что позволяет строить на ее основе стабилизаторы стандартного ряда напряжений питания цифровых СБИС: 1,1, 1,2, 1,5, 1,8, 2,5, и 3,3.

На рис. 10 приведена электрическая принципиальная схема стабилизатора напряжения на 1,2 В для питания ПЛИС, в основу которой положена микросхема 1310ПН1У. Питание стабилизатора осуществляется от входного напряжения номиналом 5 В ±10%.

Принципиальная электрическая схема импульсного понижающего стабилизатора напряжения на основе микросхемы 1310ПН1У

Рис. 10. Принципиальная электрическая схема импульсного понижающего стабилизатора напряжения на основе микросхемы 1310ПН1У

На рис. 10 представлена выполненная средствами пакета Design Entry из состава САПР Cadence Allegro/OrCAD 16.6 электрическая принципиальная схема понижающего стабилизатора напряжения на основе микросхемы 1310ПН1У в режиме регулируемого выходного напряжения, устанавливаемого внешним резистивным делителем. При выборе номиналов пассивных элементов использованы рекомендации, приведенные производителем микросхемы в спецификации [8].

В представленной электрической схеме предусмотрены только ЭРЭ отечественного производства. Полный перечень элементов, задействованных в схеме стабилизатора напряжения, приведен в таблице 2.

Таблица 2. Перечень элементов стабилизатора напряжения 1,2 В

Позиционное обозначение

Наименование

C1

Конденсатор К53-67-10 В-100 мкФ ±10%

АЖЯР.673546.006ТУ

C2

Конденсатор К10-79-10 В-1 мкФ +80/–20%-Н90

АЖЯР.673511.004ТУ

C3

Конденсатор К10-79-25 В-2,2 мкФ +80/–20%-Н90

АЖЯР.673511.004ТУ

C4

Конденсатор К10-79-50 В-470пФ±5%

АЖЯР.673511.004ТУ

C5

Конденсатор К10-79-50 В-0,01 мкФ +80/–20%-Н90

АЖЯР.673511.004ТУ

C6

Конденсатор К10-79-10 В-1 мкФ +80/–20%-Н90

АЖЯР.673511.004ТУ

C7

Конденсатор К53-67-6.3 В-100 мкФ ±10%

АЖЯР.673546.006ТУ

C8

Конденсатор К10-79-10 В-0,1 мкФ +80/–20%-Н90

АЖЯР.673511.004ТУ

D1

Микросхема 1310ПН1У

АЕЯР.431320.670ТУ

L1

Дроссель ДМ-1,2-6 мкГн-В

ГИО.477.005ТУ

R1

Резистор Р1-12-0,062-1 мОм ±5%-М

АЛЯР.434110.005ТУ

R2

Резистор Р1-12-0,062-100 кОм ±5%-М

АЛЯР.434110.005ТУ

R3

Резистор Р1-12-0,125-10 Ом ±5%-М

АЛЯР.434110.005ТУ

R4

Резистор Р1-12-0,125-390 кОм ±5%-М

АЛЯР.434110.005ТУ

R5

Резистор Р1-16П-0,125-47 Ом ±0,5%-0,5-Л

АЛЯР.434110.002ТУ

R6

Резистор Р1-16П-0,125-510 Ом ±0,5%-0,5-Л

АЛЯР.434110.002ТУ

На основе принципиальной электрической схемы (рис. 10) средствами пакета PCB Designer (Layout) из состава САПР Cadence Allegro/OrCAD 16.6 была реализована топология печатной платы, в которой учтено большинство изложенных в данной статье рекомендаций. Внешний вид изготовленной печатной платы и смонтированного на ней понижающего импульсного стабилизатора приведен на рис. 11 и 12.

Топология печатной платы и монтаж импульсного стабилизатора

Рис. 11. Топология печатной платы и монтаж импульсного стабилизатора

Топология обратной стороны печатной платы и монтаж

Рис. 12. Топология обратной стороны печатной платы и монтаж

Рассмотрим топологию поподробнее. На рис. 13а приведена топология верхнего слоя печатной платы. Выделенные синим контактные площадки принадлежат посадочным местам элементов, расположенных с обратной стороны платы.

Послойная топология печатной платы импульсного стабилизатора

Рис. 13. Послойная топология печатной платы импульсного стабилизатора:
а) топология верхнего слоя печатной платы;
б) топология проводников внутреннего слоя печатной платы;
в) топология проводников нижнего слоя печатной платы

На рис. 13б представлена топология проводников внутреннего слоя печатной платы, красным выделены контактные площадки посадочных мест, находящихся на верхнем слое печатной платы, синим — на нижнем слое.

На рис. 13в приведена топология провод-ников нижнего слоя печатной платы, красным выделены контактные площадки, расположенные на верхнем слое. Для удобства восприятия изображение выполнено зеркально по отношению к рис. 13а, б.

Полигоны питания +5, +1,2, 0 В (рис. 13а–в) расположены на внутренних слоях и приведены для наглядности, при этом полигон питания 0 В полностью занимает отдельный слой.

На верхнем слое печатной платы (рис. 13а) находятся основные силовые компоненты схемы: конденсаторы на входном питании С1 и С2, катушка индуктивности L1, конденсаторы на выходном питании С7 и С8, их расположение оптимизировано с целью уменьшения длины трасс до выводов микросхемы (в соответствии с рекомендациями 1–3), сами трассы выполнены проводниками увеличенной ширины (0,75 и 1,25 мм), соединение с полигонами питания реализовано при помощи переходных отверстий увеличенного диаметра и сдвоенных переходных отверстий стандартного диаметра.

Ограниченная площадь для размещения компонентов понижающего стабилизатора на плате при необходимости соблюсти разумные длины трасс привела к переносу на нижнюю часть печатной платы резисторов R5 и R6, реализующих делитель напряжения в цепи обратной связи, и части пассивных компонентов в слаботочных цепях (R1–R4, С5).

Наиболее критичной на данном слое является цепь делителя напряжения. Соединение полигона питания +5 В с выводами микросхемы выполнено на внутреннем слое (рис. 13в).

Литература
  1. Falin J. Minimizing Ringing at the Switch Node of a Boost Converter. Application Note, Texas Instruments, September 2006. Available: www.ti.com/1q15‑slva255 /ссылка утрачена/
  2. Layout example taken from the TPS62360 datasheet, figure 52, page 35. Available.
  3. Семенов Б. Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.
  4. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2‑е изд., испр. М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007.
  5. Glaser C. Five steps to a great PCB layout for a step-down converter. Texas Instruments Incorporated.Analog Applications Journal. slyt614, 2015.
  6. TPS6213x 3V‑17V 3A Step-Down Converter In 3×3 QFN Package. Texas Instruments Incorporated. SLVSAG7C. November 2011.  Revised January 2015.
  7. TPS62130EVM‑505, TPS62140EVM‑505, and TPS62150EVM‑505 Evaluation Modules User’s Guide. Texas Instruments Incorporated.SLVU437A — October 2011 — Revised July 2013.
  8. Спецификация 1310ПН1У, К1310ПН1У. Микросхема понижающего преобразователя напряжения. ЗАО «ПКК Миландр». ТСКЯ.431329.001 СП Версия 2.4 от 08.07.2010.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *