应用笔记 4944

布线指南:提高汽车电源性能、降低电磁辐射

By: Jon Wallace

摘要 : 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。

类似文章于2012年1月19日发表在:John Day's Automotive Electronics News

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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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2. DMOS导通状态下的OUT2电流路径
图3. OUT2交流路径的差别
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
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
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
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
Designation Qty Description
C1 1 0.1µF, 10V ±10% X7R 0402 ceramic capacitor
C2 1 10µF, 10V ±10% X7R 1206 ceramic capacitor
C3 1 4.7µF, 50V ±10% X7R 1210 ceramic capacitor
C4 1 2.2µF, 10V ±10% X7R 0805 ceramic capacitor
R1, R2 1 20kΩ ±1% 0402 resistors
L1 1 LPS3015-472MLB 4.7µH inductor
U1 1 MAX16903/MAX16904 Low-IQ DC-DC Converter
图9. 用于PCB布板的原理图
图9. 用于PCB布板的原理图