Other Parts Discussed in Post: TPS563209, TPS563209EVM-652
作者：TI 工程師 Max Han
簡介
小功率DCDC芯片及其應用電路已廣泛應用于工業(yè)和消費等電子類產(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，因此在測量DCDC的輸出電壓紋波時，示波器的帶寬限制通常選擇20MHz。但是在某些高精密測量系統(tǒng)和射頻應用系統(tǒng)中，高頻紋波會給系統(tǒng)帶來一系列干擾問題，因此，為了驗證DCDC輸出電壓紋波是否滿足系統(tǒng)對于高頻紋波的限制，測量電壓紋波時示波器帶寬限制會選擇500MHz，稱為DCDC的輸出電壓噪聲測試。由于高頻信號易于通過寄生參數(shù)進行耦合，所以對于DCDC電路的設計提出了很大挑戰(zhàn)。以下通過PCB layout優(yōu)化，輸入輸出去耦電容設計，示波器測量方法優(yōu)化等三方面來有效抑制DCDC輸出電壓紋波中的高頻成分。本文以TPS563209為例進行詳細的論述和實驗驗證。
PCB layout優(yōu)化
圖1是TPS563209EVM-652的原理圖，在這個功率電路中，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，由于開關(guān)噪聲從開關(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輸出電容，電壓采樣點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計
圖3是陶瓷電容的頻率響應曲線。
在低頻時，電容的容抗起主導作用，所以隨著頻率的增加等效阻抗降低，在高頻時，電容的感抗起主導作用，所以隨著頻率的增加等效阻抗升高。
不同容值的電容對頻率的響應曲線不同，如圖3，在3種陶瓷電容中，10uF/16V電容容值最大，所以低頻時等效阻抗較低，因此在開關(guān)電源設計中適合用來做儲能電容，例如TPS563209的輸入和輸出均放置了uF級的陶瓷電容。
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，在測試DCDC輸出電壓噪聲時，示波器帶寬為500MHz，所以nF級電容在對于DCDC輸出噪聲的濾波作用較好。本文測試中選擇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電容對高頻信號的濾波作用較好，一般pF級電容在高頻通信中使用較多。
圖3 陶瓷電容的頻率響應曲線
示波器測量方法優(yōu)化
在輸出電壓紋波的測試中，工程師通常選擇圖4中左圖的測試方式，將同軸線的信號線和地線分別焊接金屬探針，然后用手將兩個金屬探針分別按壓在輸出去耦電容的正負兩端。這種測試方法中金屬探針和電容的接觸點不牢靠，容易引入高頻噪聲，但是在輸出電壓紋波的測試中，示波器帶寬通常設置為20MHz，高頻噪聲可以被有效濾除，所以從示波器顯示的信號波形中觀測不到高頻噪聲。
但是在輸出電壓噪聲的測試中，示波器帶寬設置為500MHz，高頻噪聲沒有被有效濾除，而是被直接顯示在示波器的信號波形中。因此在輸出電壓噪聲的測試中，同軸線需要經(jīng)過仔細處理，如圖5所示，地線和信號線的距離盡量小，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 輸出電壓噪聲測試方法
圖5 測試同軸線
實驗結(jié)果
實驗條件：
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和錯誤的測試方法的測試結(jié)果，顯示輸出電壓噪聲為310mV。
圖7是基于良好的PCB layout和錯誤的測試方法的測試結(jié)果，顯示輸出電壓噪聲為140mV。
圖8是基于良好的PCB layout和正確的測試方法的測試結(jié)果，顯示輸出電壓噪聲為34mV。
從實驗結(jié)果可以看出，良好的PCB layout和正確的測試方法對輸出電壓噪聲的測試至關(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，可以滿足對輸出電壓噪聲的嚴苛要求。
為了獲得較低的TPS563209輸出電壓噪聲，在DCDC設計和輸出電壓噪聲測量時需要注意以下3點。
良好的PCB layout。
合適的去耦電容選擇。
合理的測試方式。
參考文獻
TPS563209EVM-652 3-A, SWIFT? Regulator evaluation Module, SLVUAB2
