MAX16922汽车PMIC(电源管理IC)的布线准则

MAX16922汽车PMIC(电源管理IC)的布线准则

该应用笔记介绍了MAX16922汽车PMIC (电源管理IC)的布线准则，能够优化器件性能，降低辐射。

概述

使用MAX16922等高频开关调节器时，合理的PCB布线不仅提供干净的电源输出，还可大大节省解决EMI问题的调试时间。本应用笔记概述了相关电路设计的要点，其中优化布线可提供诸多好处。

基本布线原则

1. OUT1：尽量减小输入电容(C1)、电感(L1)、二极管(D1)和输出电容(C2)的环路面积。
2. OUT2：尽量减小输入电容(C3)、电感(L2)和输出电容(C5)的环路面积。
3. 将电源地(第9引脚和二极管D1的阳极)在靠近MAX16922下方裸焊盘处通过单点连接到其余地平面。这种连接方式可以降低耦合到器件误差放大器的噪声。
4. 采用尽可能短和宽的引线。

优化AC-DC电流通路

MAX16922的开关调节器是器件的最大辐射源。为了降低辐射，开关调节器的无源元件布线非常关键。存在电流阶跃的通路可看作是交流电流通路，将在开关的通、断周期内有电流流过的通路去掉，即得到交流电流通路。可以把在开关的通、断周期内有电流流过的通路看作直流电流通路。

OUT1交流电流通路

DC-DC转换器(OUT1)具有五个无源元件(C3、C5、C12、L1和D1)，它们直接连接在开关电流通路。这五个元件对OUT1的辐射和性能有很大影响。图1所示为开关接通期间(内部DMOS开关导通)的电流通路。图2所示为开关断开期间(内部DMOS开关关断)的电流通路。两个电流通路的过度位于电流突变期间，可看作是交流电流通路(图3)。优化元件D1、C3和C5的布线对于提高性能最为重要，其次是L1和C12。


图1. DMOS导通时的OUT1电流通路


图2. DMOS断开时的OUT1电流通路


图3. OUT1的交流电流通路给出了两者的过度

OUT2交流电流通路

同步整流DC-DC转换器(OUT2)具有三个无源元件(C10、C13和L2)，直接连接在开关电流通路。与OUT1类似，这三个元件对OUT2的辐射和性能有很大影响。图4和图5所示为开关通、断期间的电流通路。图6所示为两个电流通路的过度，即最高di/dt。优化元件C10的布线对于提高性能最为重要，其次是L2和C13。


图4. PMOS导通时的OUT2电流通路


图5. DMOS导通时的OUT2电流通路


图6. OUT2的交流电流通路给出了两者的过度

OUT1自举电路的交流通路

DC-DC转换器(OUT1)采用一个高边DMOS器件，它需要一个比LX1引脚(DMOS的源极)电压高出5V的电源。为了产生这个电压，采用一个自举电容连接到LX1和BST之间(图7)。DMOS关断期间，自举电容(C4)由5V LSUP稳压器充电。LSUP输出还用于误差放大器供电。因此，须尽可能保持一个低噪的LSUP电源，以消除噪声对误差放大器的负面影响。最好的办法是降低C4与MAX16922之间的引线电感。将C4尽可能靠近第19引脚(GND)和第17引脚(LSUP)放置，不要使用任何过孔。


图7. OUT1自举电容的交流通路

在LX节点增加缓冲

为了降低开关噪声，在不明显影响电源效率的前提下，LX1的上升/下降时间应尽可能慢。为了进一步降低辐射，可以在LX1引脚增加一级RC衰减器，抑制LX1的振铃。作为经验值，推荐选用不超过330pF的电容，以确保不会显著影响效率，它也是达到这一目的所需要的最小电容；建议使用2Ω电阻。图13所示原理图中，缓冲器为可选电路，由R2和C13构成。

LX2的升/降时间比LX1快很多。因为LX2与主输入电源相隔离，通常不需要考虑传导辐射问题。但是，在一些案例中，LX2也会对其它器件和/或连接器引脚造成辐射。同样可以在LX2增加一个缓冲器来降低辐射。可以选择同样参数的元件，电容应≤ 220pF，配合使用8Ω至20Ω的串联电阻。

四层PCB布线实例

图8至图11给出了一个四层PCB的布线实例，满足本应用笔记提出的布线准则。图12标注了开关通、断期间的交流、直流通路。


图8. 顶层


图9. 底层


图10. 内部第1层，电源地层。


图11. 内部第2层，地层。


图12. 电流通路：黑色表示开关导通期间；橙色表示开关断开期间；红色是两者的过度。

主电源滤波

主电源的滤波也非常重要，它是降低器件传导辐射的最后一个关键位置。对于MAX16922等高频开关调节器，传导辐射通常发生在FM射频波段(76MHz至108MHz)。为了降低辐射，可以针对该频段增加一个高阻磁珠和/或谐振频率高于108MHz的电感。

结论

对于MAX16922开关调节器的关键无源元件进行合理布线，能够大大降低信号源的噪声和辐射，在项目验证阶段节省大量的时间和精力。

表1. 元件列表 DesignaTIon Qty DescripTIon C1 1 47µF, 25V electrolyTIc capacitor C2–C3 2 47nF, 50V ±10% X7R 0603 ceramic capacitors C4 1 1µF, 10V ±10% X7R 0603 ceramic capacitor C5 1 4.7µF, 50V ±10% X7R 1210 ceramic capacitor C6 1 100nF, 10V ±10% X7R 0402 ceramic capacitor C7 1 4.7µF, 10V ±10% X7R 1206 ceramic capacitor C8–C9 2 2.2µF, 10V ±10% X7R 0805 ceramic capacitors C10–C12 3 10µF, 10V ±10% X7R 1206 ceramic capacitors C13 1 100pF, 50V ±10% X7R 0402 ceramic capacitor R1 1 20kΩ ±1% 0402 resistor R2 1 2Ω ±5% 0402 resistor L1 1 4.7µH inductor L2–L3 2 2.2 µH inductors D1 1 MBR140SFT1 Schottky diode D2 1 ES1D diode U1 1 MAX16922ATPA/V+ quad-output PMIC

图13. PCB布线原理图