DC-DC降压转换器PCB设计
0 2024-02-22

今天给大家分享的是:降压转换器 PCB 设计

一、降压转换器 PCB设计要求

1、降压转换器设计要求

降压转换器要求:

  • 4.5V至17V输入电压

  • 0.76V 至 7V 可调输出电压

  • 1A 最大输出电流

2、电源要求

  • 输入电压7.0~14.0V

  • 输出电压5.0V

  • 输出电流1.0A

这是 5V 电源墙上电源适配器的典型要求,你可以使用9V电池供电。

二、原理图设计

1、输出电阻选择

TPS561208作为主要芯片,也是设计的第一步,选择输出电压电阻将输出电压设置为5V。

电阻可以用以下公式计算:

电阻计算


电阻的选择上需要注意,阻值如果比较低,意味着转换器不容易受到噪声的影响,但是,低负载时效率会降低,从从数据表中的推荐表中选择 R2 电阻值为 10k Ohm,然后根据以下公式计算 R1 值:

R1 值

R1 值

由于 55.104kΩ电阻不是标准值,因此选择了 56.2 kΩ值,可以提供了 5.08 V 的输出。

R1

2、输入电容选择

数据手册建议输入电容为 10 uF 或更大,选择 22 uF 的电容,因为许多 9V 壁式适配器的噪音很大。

输入电容

3、电感选择

电感选择稍微麻烦点,也是从数据手册的推荐中选择。

推荐元件值

这里要注意,要选择饱和电流和额定电流不大于1A的电感

4、输出电容

为了获得稳定的转换器,建议输出电容为 20 至 68 uF。在此设计中,选择了单个中值 47 uF 电容。

必须要充分了解电源的功能,这样才可以及时调整数值,例如,如果电源负载快速变化,需要添加容值更高的电源。

5、自举电容

除了输入和输出电容,还需要自举电容,这里使用0.1 uF 陶瓷电容

6、连接器

连接器的选择比较多,因为没有规定连接要求,选择了 TE Connectivity 的 2 针接线盒,以方便连接电线和测试电路板,端子快很容采购,也可以替换其他具有2.54通用收缩量的端子块连接器。

为 TPS561208DDCR 设计的降压转换器 PCB 布局


三、初始PCB设计

刚开始设计出的PCB设计,性能比较差。

初始PCB设计

主要存在以下问题:

1、没有参考数据手册中推荐的布局和设计提示。

数据表中的 PCB 布局示例

2、电感和电感环路的开关路径没有正确布线,可能会导致过度串扰和EMI问题。

开关稳压器的电流环路布局会极大地影响稳压器稳定性以外的性能,可能会导致噪音很大。

这是初始 PCB 设计中的两个电流环路,输入(蓝色)和输出(红色)如下所示:

第一个 DC-DC 设计降压转换器的输入和输出电流环路 PCB 布局

通过稳压器的电流路径应该尽可能短且宽,这样可以最大限度的减少辐射发射。


四、PCB设计布局改进

1、元件放置

PCB布局改进的第一步是元件的位置要正确,元件布局也是参考的数据手册上的布局,稍微作了修改。

参考数据手册推荐的布局和设计技巧来放置组件

2、手动布线

注意不是自动,要手动布线,这个时候可以跟踪流经输入和输出环路以及电路的电流,这样的话,你可以看到环路有多长以及电流流向哪个方向。

PCB手动布线

手动路由后,查看当前的环路,输入环路变化不大,但输出环路的变化却有很大改善。

输入环路变化不大,但输出环路的变化却有很大改善


3、添加边框到输入和输出环路,实现低阻抗

添加边框


4、添加顶层和底层

最后,添加顶层和底层,下面为改进后的降压稳压器布局的 PCB设计

改进后降压稳压器布局的 PCB 设计

改进后降压稳压器布局的 PCB 3D视图

PCB布局改进后,输出电流环路更小了,并且输入和输出电流环路朝向相同的方向。


五、PCB设计总结

在设计可调输出稳压器原理图时,需要谨慎选择输出分压器,高阻值的分压器可以提高轻负载的稳压器效率,但噪音可能会增加。如果选择低阻止的分压器那效果也是相反。

输入电容的选择也很复杂,要考虑输入电源电压纹波和噪声以及调节器的需求,而且输入电容还会影响电源电压上的传导噪声水平,如果传导到电缆中,可能会导致EMC认证不成功。

开关模式稳压器上的电感也非常重要,要确保不会饱和并且可以高效运行。输出电容的类型和参数则会影响输出电压轨上的传导噪声。

PCB布局对于降压转换器也非常重要,电流环路的走线应该尽可能短和宽,确保输入和输出电容的两个引脚都有一条返回稳压器的简单路径,电流环路应短、呈圆形且流向相同方向,以降低 EMI。


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