Other Parts Discussed in Post: TPS563209, TPS563209EVM-652
作者：TI 工程師 Max Han
簡(jiǎn)介
小功率DCDC芯片及其應(yīng)用電路已廣泛應(yīng)用于工業(yè)和消費(fèi)等電子類(lèi)產(chǎn)品中，由于系統(tǒng)中的濾波電路和去耦電容等使系統(tǒng)具有一定的抗高頻紋波干擾能力，因此在測(cè)量DCDC的輸出電壓紋波時(shí)，示波器的帶寬限制通常選擇20MHz。但是在某些高精密測(cè)量系統(tǒng)和射頻應(yīng)用系統(tǒng)中，高頻紋波會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)一系列干擾問(wèn)題，因此，為了驗(yàn)證DCDC輸出電壓紋波是否滿足系統(tǒng)對(duì)于高頻紋波的限制，測(cè)量電壓紋波時(shí)示波器帶寬限制會(huì)選擇500MHz，稱為DCDC的輸出電壓噪聲測(cè)試。由于高頻信號(hào)易于通過(guò)寄生參數(shù)進(jìn)行耦合，所以對(duì)于DCDC電路的設(shè)計(jì)提出了很大挑戰(zhàn)。以下通過(guò)PCB layout優(yōu)化，輸入輸出去耦電容設(shè)計(jì)，示波器測(cè)量方法優(yōu)化等三方面來(lái)有效抑制DCDC輸出電壓紋波中的高頻成分。本文以TPS563209為例進(jìn)行詳細(xì)的論述和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
PCB layout優(yōu)化
圖1是TPS563209EVM-652的原理圖，在這個(gè)功率電路中，核心的功率回路包含輸入電容，芯片內(nèi)置的高邊和低邊MOSFET，功率電感和輸出電容，因此，在PCB layout的過(guò)程中，盡量減小功率回路的走線距離和增加功率回路的走線寬度，可以有效減小功率功率回路的寄生參數(shù)，從而有效降低TPS563209工作時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。
圖1 TPS563209EVM-652原理圖
圖2是推薦的TPS563209 PCB layout，所有器件均在同一層，GND通過(guò)芯片底部走線將輸入電容地，芯片地和輸出電容地直接連接，輸入電容，芯片，電感和輸出電容的回路最小，輸入端和輸出端都有100nF去耦電容，由于開(kāi)關(guān)噪聲從開(kāi)關(guān)電路內(nèi)部產(chǎn)生，所以輸入去耦電容靠近芯片VIN腳，輸出去耦電容靠近最后一個(gè)輸出電容，電壓采樣點(diǎn)選取輸出去耦電容的正端。
圖2 TPS563209推薦PCB Layout
輸入輸出去耦電容設(shè)計(jì)
圖3是陶瓷電容的頻率響應(yīng)曲線。
在低頻時(shí)，電容的容抗起主導(dǎo)作用，所以隨著頻率的增加等效阻抗降低，在高頻時(shí)，電容的感抗起主導(dǎo)作用，所以隨著頻率的增加等效阻抗升高。
不同容值的電容對(duì)頻率的響應(yīng)曲線不同，如圖3，在3種陶瓷電容中，10uF/16V電容容值最大，所以低頻時(shí)等效阻抗較低，因此在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中適合用來(lái)做儲(chǔ)能電容，例如TPS563209的輸入和輸出均放置了uF級(jí)的陶瓷電容。
100nF/25V電容容值居中，圖3中等效阻抗曲線顯示轉(zhuǎn)折頻率為28MHz，在MHz頻率范圍的等效阻抗較低，在測(cè)試DCDC輸出電壓噪聲時(shí)，示波器帶寬為500MHz，所以nF級(jí)電容在對(duì)于DCDC輸出噪聲的濾波作用較好。本文測(cè)試中選擇100nF/25V陶瓷電容作為去耦電容。
100pF/50V電容容值最小，圖3中等效阻抗曲線顯示轉(zhuǎn)折頻率為1GHz，所以100pF電容對(duì)高頻信號(hào)的濾波作用較好，一般pF級(jí)電容在高頻通信中使用較多。
圖3 陶瓷電容的頻率響應(yīng)曲線
示波器測(cè)量方法優(yōu)化
在輸出電壓紋波的測(cè)試中，工程師通常選擇圖4中左圖的測(cè)試方式，將同軸線的信號(hào)線和地線分別焊接金屬探針，然后用手將兩個(gè)金屬探針?lè)謩e按壓在輸出去耦電容的正負(fù)兩端。這種測(cè)試方法中金屬探針和電容的接觸點(diǎn)不牢靠，容易引入高頻噪聲，但是在輸出電壓紋波的測(cè)試中，示波器帶寬通常設(shè)置為20MHz，高頻噪聲可以被有效濾除，所以從示波器顯示的信號(hào)波形中觀測(cè)不到高頻噪聲。
但是在輸出電壓噪聲的測(cè)試中，示波器帶寬設(shè)置為500MHz，高頻噪聲沒(méi)有被有效濾除，而是被直接顯示在示波器的信號(hào)波形中。因此在輸出電壓噪聲的測(cè)試中，同軸線需要經(jīng)過(guò)仔細(xì)處理，如圖5所示，地線和信號(hào)線的距離盡量小，以減小高頻噪聲的耦合回路。然后將同軸線焊接在100nF去耦電容上，如圖4中右圖所示。
圖4 輸出電壓噪聲測(cè)試方法
圖5 測(cè)試同軸線
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)條件：
DCDC變換器：TPS563209
輸入電壓：12V
輸出電壓電流：1V/3A
圖6是基于較差的PCB layout和錯(cuò)誤的測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果，顯示輸出電壓噪聲為310mV。
圖7是基于良好的PCB layout和錯(cuò)誤的測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果，顯示輸出電壓噪聲為140mV。
圖8是基于良好的PCB layout和正確的測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果，顯示輸出電壓噪聲為34mV。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，良好的PCB layout和正確的測(cè)試方法對(duì)輸出電壓噪聲的測(cè)試至關(guān)重要。
圖6 Bad PCB layout and Bad test method
圖7 Good PCB layout and Bad test method
圖8 Good PCB layout and Good test method
結(jié)論
TPS563209是一款性能優(yōu)良的DCDC變換器，可以滿足對(duì)輸出電壓噪聲的嚴(yán)苛要求。
為了獲得較低的TPS563209輸出電壓噪聲，在DCDC設(shè)計(jì)和輸出電壓噪聲測(cè)量時(shí)需要注意以下3點(diǎn)。
良好的PCB layout。
合適的去耦電容選擇。
合理的測(cè)試方式。
參考文獻(xiàn)
TPS563209EVM-652 3-A, SWIFT? Regulator evaluation Module, SLVUAB2
