超高难度的开关电源PCB设计

开关电源PCB设计

TD芯片的简单吐槽

  先介绍下要设计所用的芯片是TD1837和TD1660。
  首先先说下一个小的注意事项,一般在设计芯片引脚的布置的时候SW引脚要离FB引脚越远越好。
这里举个TD的反面例子:
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图1 引脚示意图

  这里吐槽下芯片行业一个不好的点,就是一个规格差不多的芯片,稍加修改下,在某个功能的范围上有些许不同就可以扩充为一个新的芯片。例如TD1432和TD1464,这两个芯片仅在输入范围上有些许不同,一个是9V-40V,另一个是9V-45V。或者说一个芯片的作用范围很小,例如TD8602芯片:规格图图下:
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图2 TD8602规格图

  他这里的输入最小是2.8V,最大是4.2V,输出规格又3V,5V还有6V。最大输出电流是3.1A.这个芯片唯一较简单的用途就是作为18650的充电管理芯片,因为18650电池充满电是4.2V,放完电是2.8V,然后将其电压升到5V,最大的电流是3.1A。

PCB设计

一般布局

  闲话说完,说正事,一般我们对于开关电源的PCB设计是U型布局,所谓U型布局如下图所示:
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图3 U型回路示意图

  电感所在的支路,他不处于高频电流环路,我们用非同步整流电路举例,找到他的VI引脚,SW引脚还有GND。让Ci越靠近vi和GND引脚越好,让肖特基二极管越靠近SW和GND引脚越好。这里举例下实际的芯片设计布局:
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图4 TD1688的实际U型回路

  在芯片上,与FB相连的电阻,越靠近FB引脚越好,FB引脚覆盖的面积越小越好,FB上的GND是属于小信号的GND。

TD1660芯片介绍

  先放张他的规格图:
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图5 TD1660规格说明图

  他的输入电压是9V-60V,它是一个非同步整流电路,他的上管的Rds是0.25欧,他的开关频率最高是1M,他的Iq是180uA,意思是如果EN引脚接地也就是芯片不工作,这个时候芯片的耗电是180uA。它内部集成了软启动,效率最高达到了95%,他的输出电压是0.8-52V。
 ; 这里他的引脚分布借鉴了MP4560的分布,但是他的输入电压还可以。
  接下来介绍下他的具体引脚:
引脚具体示意图如下:
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图6 TD1660引脚示意图

  从图中我们可以用看出它的EN引脚,要注意,如果把它悬空,芯片就会自启动,或者用两个电阻分压可以作欠压保护,或者可以接1M欧的电阻到VIN也可以自启动。
具体引脚示意图如下:在这里插入图片描述

图7 TD1660具体引脚示意图

  不过这里Ci最好是大容量和小容量的并,Co最好是大容量和小容量的并。6号脚通过一个电阻来设置他的开关频率,开关频率的计算公式也在图中。不过这个公式还有他的数据手册上的PCB设计好像是完全照抄MPS公司的。

TD1660芯片PCB设计

  首先留出芯片地下的GND,然后在VIN引脚上大电容并上一个小电容(一般是22uf并上一个0.1uf
)连接GND,然后SW引脚往上接一个电感,往上接两个电容到GND,而且GND与SW之间要接上一个肖特基二极管。
  PCB在1号脚打一个过孔,在8号脚也打一个过孔,然后直接连接两个过孔。然后把EN,RT,FB的地连在一起作为小信号的地,然后与功率地相连。这个EN引脚需不需要欠压保护,如果不需要,就直接连接一个1M欧的电阻到VIN就行了。然后用两个电阻分压接VIN和EN,然后RT接一个电阻到两个电阻的地,Vo用两个电阻分压接到FB引脚。最后把小信号的地连在一起,与这个GND单点相连。

TD1837芯片介绍

  TD1837的规格图如下:
在这里插入图片描述

图8 TD1837规格图

  TD1837的输入电压是12-80V,0.25欧的上管电阻,频率最高1M,180uA的Iq,内置软启动,效率最高95%,输出电压是0.8-52V((0.8-0.9)Vi)。
  同样我们仔细介绍下他的引脚:
引脚说明图如下:
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图10 TD1837引脚说明图

  来看EN引脚,可以看到可以上拉一个1M欧电阻到VIN引脚,或者EN引脚悬空,这里悬空就是关断。这里可以发现他的引脚顺序和MP4560完全一摸一样。
  这里要注意下,如果他的VI大于64V,开关频率最高可达到1MHz,如果小于64V,则开关频率最高是400KHz。具体设计图如下:
在这里插入图片描述

图11 TD1837具体芯片引脚图

TD1837PCB设计

  首先忽略电感所在的支路,找到他的VI,SW,GND引脚,让Ci越靠近Vi和GND,让D1越靠近SW和GND引脚越好,最好是U型布局。
  从嘉立创上找到MP4560的开源原理图和PCB,不过不咋地好像。PCB如图所示:
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图12 PCB反面典型图

  OK开始说正事, 先准备好TD的原理图,电感计算器,以实际为例,假如一个60V的电动自行车,我要降到12V,2A左右这里因为电压小于64V,60V的话最高频率为400K。因此可以选用R4为150K欧,最高频率是645Khz。接下来计算电感,60V降到12V,电流为2A,开关频率为0.645Mhz,可以计算出电感需要18-37uH,这里我们选用22uH的电感,电感越小,文波越大,而且我们可以,电感不够,电容来凑。电感小一点,电容就大一点。原理图如下图:
在这里插入图片描述

图13 TD1837原理图

这里由于我们要输出最大电压是12V,而第一个TD1837的官方原理图的电阻是22k,和120k。0.8V的参考电压,假如我输出12V,这里计算下得出,得出R1和R2的电阻分别是22k和300k。电阻计算公式和原理图如下:
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图14 电阻计算原理图

  根据官方原理图和上述嘉立创原理图对照,改他的电阻阻值,就是R2是300K,R3是22K。R4还有VOUT要接地,R1的阻值要大点,这里改成5.1M,然后R6可以不接。C3是680P,R5是43K。改进后的原理图如下:
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图15 改进后的TD1837原理图

  然后绘制PCB,先做好布局, 电容封装最好用1206封装,为了更好的耐压。其中R4到时候在PCB中就是小信号的地,VOUT直接用铜皮覆盖,在电容那里留一条缝2,是为了强行让电流通过电容滤波。PCB示意图如下:
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图16 电容滤波示意图

  然后打过孔,过孔尽量不要打在焊盘上,这里的过孔就是刚刚我们分析过了的PCB的过孔位置:
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图17 过孔PCB示意图

然后对VIN也用铜皮覆盖,最后连接一些小的元器件,安放规矩也按上面所分析的来。最后在芯片和铜皮都多打一些国过孔。GND不在电感下面,上面是功率地下面是小信号的地,器件连接PCB图如下:
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图18 元器件PCB示意图

最后是完整的PCB图:
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图19 完整PCB示意图

  讲下设计思路,首先是Ci越靠近VIN引脚和GND引脚越好,肖特基越靠近SW和GND引脚越好,然后最好是U型布局,然后是小信号的地,包括COMP,FB,EN,以及设置频率的地连在一起,然后在下面与公共地单点相连,然后VOUT反馈到R2,为了不碰到电感产生感应电动势所以从右边走,因为电压比较高都没有问题。注意下Ci最好是用高频直插的元件,Co最好用固态电容。然后电容焊盘的要挖空,防止短接。

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