C200/C210 PCB布線指南

引言

PCB布線猶如“太祖長拳"，人人會使，但掌握電路原理精髓方能如同金大俠筆下之蕭峰聚賢莊大戰各路英豪使用太祖長拳之描寫“這一招姿勢既瀟灑大方已極，勁力更是剛中有柔，柔中有剛，武林高手畢生所盼望達到的拳術完美之境，便在這一招中表露無遺?！笔挿暹\用太祖長拳對戰三高僧能夠完勝，完全是仗著他的深厚內功，了解電路工作原理是PCB Layout工程師所需要具備的內功。

前言

C200 和 C210 電源IP都是同步降壓轉換器，與所有開關電源轉換器一樣，在設計 PCB 時必須小心，以避免后續產生難以解決，不可預測的問題。

地平面選擇

PCB 中第二層最好用作接地層，這將最大可能地減少頂層過孔接地的長度、減少線路雜散感抗，同時接地層還將充當頂層同步降壓電源的開關節點和第 3 層中敏感信號之間的法拉第屏蔽層。同樣，對于六層或者更多層數PCB，第 2 層到最后一層也最好用作接地層。通用規則，所有接地的元件引腳都應在其附近或引腳上有接地過孔，尤其是旁路電容器。最后，應在整個電路板空白區域添加盡可能多的接地過孔以將接地層連接在一起，這些接地過孔在功率部分的區域尤其重要，而在非功率部分的電路板空白區域中則不太重要。

Lx 走線阻抗損耗

如圖一所示，上圖中的黑色箭頭指向的是Lx節點，它是半橋輸出的開關節點，連接到電感。因為它承載大電流，所以走線需要很寬，以盡量減少降低系統效率的電阻損耗?？梢詤⒖糷ttps://www.edn.com/resistance-of-a-copper-trace-rule-of-thumb-14/ （EDN 雜志：“PCB走線電阻：經驗法則 #14”）文章，此文章介紹了一條用于快速計算由電阻損耗引起的滿載效率損失百分比(%LOSS)的經驗法則，包含如何使用“每平方歐姆”和“平方數”快速估算PCB走線電阻 RTRACE 的方法。

%LOSS = Vloss / VO , VO是輸出電壓

Vloss = IO * RTRACE ，IO是滿載電流， RTRACE是（平方數）*（歐姆/平方）

圖一: 同步降壓轉換器主開關回路和高邊 dv/dt 節點

dv/dt 噪聲耦合

Lx節點是半橋輸出的開關節點，在PWM開關邊緣具有快速電壓變化率dv/dt，由于Lx需要很寬的走線滿足額定峰值電流的要求，所以它具有很強的能力將 dv/dt 噪聲耦合到同層或者其他層的敏感信號的PCB走線，敏感信號是指那些具有高阻抗和低電壓的信號。具有快速電壓變化率dv/dt的節點和敏感信號之間的雜散電容會導致來自前者的噪聲耦合到后者的信號中。

如果沒有接地層或者電源層充電法拉第屏蔽層，務必保證任何敏感信號的 PCB 走線不要在 LX 走線正下方的層中， 否則，由于它們之間存在雜散電容，敏感信號會被注入 dv/dt 噪聲。

此外，如圖二所示，高邊 BST引腳（柵極驅動自舉, 圖 中的引腳 42/BST2）和連接到它的器件（C561、R741 和 D211 的陰極）具有與 LX 節點相同的 dv/dt,確保這些器件及其走線同樣不會將 dv/dt 噪聲耦合到敏感信號的的走線中。

圖二：自舉電路 C561、可選 R741 和 D211 、可選的續流二極管 D722

主開關回路

再次引用圖一，電流在回路中流動，具有高 di/dt 的同步降壓轉換器中的主開關環路如圖所示，它由半橋主 MOSFET 以及與最近的 PVIN 旁路電容器的連接構成。黃色曲線箭頭代表“輸出”電流，藍色曲線箭頭代表“返回”電流，它們一起形成一個電流循環，其包圍的面積需要最小化。

我們要注意的是，在絕大部分時間，電流實際上都不會在此環路中流動，除非在很短的時間內，PWM高邊開啟邊沿對低邊 MOSFET Coss 充電并驅動其體二極管反向恢復電流。相反，在此環路中的所有電流分支都具有較大的 di/dt，它們在開關轉換期間快速電流變化，并且這些分支的 di/dt（ 箭頭方向，不是絕對電流方向）形成一個完整的環路，如果這個環路面積很大，不僅會輻射出di/dt噪聲，而且這個大面積環路形成的雜散電感會和旁路電容形成諧振，這種諧振會在 如下圖三所示的AmP芯片半橋的PVIN 和 PGND 端子引起振鈴，嚴重的振鈴會導致難以預測的莫名其妙的問題。

圖三：WebAmP C200原理圖

PCB 布局中最小化此環路面積的方法之一是相鄰層中的電流輸出和返回路徑是疊加狀態，頂層上的電流輸出在第 2 層的接地層正下方具有相應的未被分割的返回電流路徑。實現這種布局的最好方法是PVIN同層引腳處放置一個小電容，并且PCB下一層就是接地層，其他較大容量的旁路電容可以布置的稍微遠一些，比如放置在電路板的反面，通過較多過孔連接。所有 PVIN上的 旁路電容器都需用足夠寬的走線將旁路電容的PVIN連接到 AmP 器件的 PVIN 引腳，如果有電源層，PVIN 附近就應該有足夠多的過孔。

低端 MOSFET 的源極引腳

低端 MOSFET 的源極引腳（標記為“PGND”）芯片內部沒有接地連接，此引腳需與接地層連接，此連接雜散電感越小越好。建議使用至少兩個過孔直接打在焊盤上， 通常使用鉆孔直徑為 6 mil 或 0.15 mm 的過孔。需要注意的是，PCB 制造商應該填充并平整焊盤中的過孔，以確保SMT焊接可靠性。芯片中間的EPAD接地應該和源極在同層相連。

過孔阻抗估算

“每平方歐姆”方法也可用于估計過孔阻抗，其中

平方數= 過孔長度 / (π * 過孔直徑)

如果過孔是頂層連接到第二層，對于六層板來說，過孔的典型值是6Mil, 因此對于6Mil直徑的過孔平方數是0.5平方。除非特殊工藝，一般過孔內的鍍層通常只有 ? 盎司厚 (18 μm)，相比較而言，如果頂層是1盎司厚度，那么這個過孔的阻抗和頂層的1平方相同，如果頂層是2盎司厚度，這個過孔的阻抗就是2平方。如果接地層是6層板中的第5層，過孔的阻抗將增加4到5倍， 顯而易見，將第 2 層用作大電流連接的接地層明顯具有優勢。

PCB 制造商可以用導熱和導電材料填充過孔， 這改善了電和熱傳導，這是 AmP 器件EPAD的優勢。 可以咨詢PCB 制造商了解其電導率常數，以便計算其熱阻和阻抗。另外，對于熱要求苛刻的應用，除EPAD之外，MOSFET 源極和漏極引腳還提供了額外的器件散熱路徑， 連接到這些引腳的通孔和銅線將有助于帶走熱量。

布線案例

案例一，Lx節點同層連接電感

圖四示例了我們以上討論的 4 個要點，AmP 器件EPAD連接到低側邊MOSFET 源極引腳。

圖 4：LX 走線使用同層的示例布局。電感位于右上角（未顯示), 圓圈顯示接地覆銅連接到低側 MOSFET 源極引腳。

圖五顯示了電流環路路徑，地平面顯示為白色陰影?！拜敵觥彪娏饔命S色箭頭表示，“返回”電流用藍色箭頭表示。需要注意的是，高頻電流是以物理上最小化的環路面積流動。在此示例中，輸出電流下方的接地層是完整的，如藍色箭頭所示，如果接地層位于下一層，則可以使環路面積物理上盡可能小。藍色箭頭所在的接地平面中的任何中斷都會增加環路面積，我們應該避免。

圖 5：與圖 4 相同的布局，顯示圖 1 中描述的接地層（白色陰影）和高頻電流環路

案例二：Lx雙層布線

有時由于布局限制，Lx在頂層無法做到滿足峰值電流所需的走線寬度，但仍然需要盡可能地提高電源效率。在這種情況下，第 2 層（接地層）用于并聯Lx走線來分流電流。 圖六為一個類似布線案例，但是我們還是要盡可能不使用接地層以減少阻抗損耗。為了實現合適的電流分流，第 2 層的銅島應該盡可能在靠近電感的引腳處放置盡可能多的過孔。

必須盡可能保持電流“輸出”路徑（黃色箭頭）和“返回”路徑（藍色箭頭）的連續性，Lx引腳上連接到第二層的過孔位置(紅色小箭頭）盡可能靠近外部（右）放置，以便垂直的藍色箭頭不間斷。

圖 6：使用第 2 層與頂層并聯的布局，用于 Lx 連接到電感（未顯示，右上方）

案例三：不在焊盤上打過孔的Lx布線

如圖七所示，C200 源極的接地過孔應非?？拷_（紅色箭頭“1”），最近的旁路電容器的接地過孔也需要非?？拷浣拥匾_（紅色箭頭“3”）。紅色箭頭“2”的過孔將 PVIN 節點連接到內層中的走線（未顯示），將它放置在下方，因此不會中斷電容的輸出電流（黃色長水平箭頭）。如果焊盤中沒有過孔，Lx 與電感的連接會有些窄，這或許會對效率有一些影響。

圖 7：與圖 5 相同的布局，但焊盤上不打過孔

其他需要低感抗布線的外圍器件
還有一些需要注意的外圍器件布線， 這些外圍器件需要和 AmP 器件引腳之間形成一個小的環路區域。也就是說，它們需要相對靠近 AmP 器件，并且走線較短，具有接地端子的器件應就近接地。 理論上，沒有引腳接地的器件也有各自獨立的輸出和返回路徑。這些器件如下，

? 高邊驅動自舉肖特基 (D211)

? 柵極驅動旁路電容器

高邊：連接到 BST2/3/6/7 引腳（圖 3 中的 BST 引腳）到 Lx
低邊：連接到 BST1/4/5/8 引腳（圖 3 中的 Vdrv 引腳）到接地層

? 可選的低邊 FET 反向并聯肖特基（圖 2 中的 D722 ), 此肖特基可以將效率提高2%，但高阻抗的走線會降低效率。 此肖特基二極管是可選項，取決于PCB面積。

輸出電容和反饋感應

輸出電容器必須與負載具有低感抗連接，高感抗的走線會降低輸出電源軌的瞬態響應。從輸出 VOUT 到 C200 反饋輸入（圖八中 R1 的底部）的電壓反饋檢測連接點必須位于最靠近負載的輸出電容器處。將其連接到靠近電感會降低負載瞬態性能。在原理圖和 PCB 布局中，電壓反饋走線與 VOUT 是同一個網絡，但布線時必須小心，確保只有一個連接點，通常最后一個輸出電容器為采樣連接點。圖 八 顯示了使用單獨的層（藍色跡線），此單點連接位于靠近負載的輸出電容器附近的過孔處，不要簡單地將其連接到隨機點的 VOUT 銅島。

圖 8：多個輸出電容器的反饋采樣點，藍色走線連接在另一層并連接到靠近最后一個電容的過孔

摘要/布線檢查清單

1) 第 2 層是接地層嗎？

2) C210/C200 的 Source/PGND 引腳是否有至少2 個過孔打在焊盤上以連接到接地層，或者是在引腳旁邊有過孔將其連接到接地層？

3) 最近的 PVIN 旁路電容是否以非常短的銅線連接到 C200/C210 的 PVIN 引腳？

4) 最近的 PVIN 旁路電容的接地焊盤是否在下方或附近有通向接地層的過孔？

5) 從源極/PGND 引腳到旁路電容器接地端子的返回路徑是否在接地層中具有不間斷的路徑，如圖 5 中的“環路電流”？

6) Lx 與電感的連接是否足夠寬以減少電阻損耗？

7) 如果使用與電感的 Lx 連接并聯的第 2 層銅島，如圖 6 所示，在環路電流下的返回電流是否在接地層中有不間斷的路徑？

8) 敏感走線與 Lx 或 BST 節點之間是否存在有問題的雜散電容？

9) 以下布線對 AmP 器件引腳的雜散電感是否足夠低？

a.高邊驅動自舉肖特基二極管

b.柵極驅動旁路電容

i. 高邊 BST 引腳

ii.低邊 BST 引腳

c.可選的低側 FET 反向并聯肖特基二極管

10) 從輸出電容到負載的連接是否具有低感抗

11) 反饋檢測點是否在最后一個輸出電容？

關于AnDAPT(安普芯源微電子)

AnDAPT是一家總部位于愛爾蘭都柏林的Fabless半導體公司，其目標是為客戶提供完全可編程的電源管理芯片解決方案，投資者包括Intel Capital，Cisco，Altantic Bridge, Enterprise Ireland，WestSummit Capital, Vanguard等。

本文轉載自： AnDAPT微信公眾號

審核編輯 黃宇