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Texas Instruments 11 AAJ 1Q 2015
IndustrialAnalog Applications Journal
Five steps to a great PCB layout for a
step-down converter
Introduction
Especially for switch-mode
power supplies (SMPSs), the
printed circuit board (PCB)
layout is a critical but often
under appreciated step in
achieving proper performance
and reliability. Errors in the
PCB layout cause a variety of
misbehaviors including poor
output voltage regulation,
switching jitter, and even
device failure. Issues like
these should be avoided at all
costs, since fixing them usu-
ally requires a PCB design
modification. However, these
pitfalls are easily circum-
vented if time and thought are
spent during the PCB layout
process before the first PCBs are ever ordered. This
article presents five simple steps to ensure that your next
step-down converter’s PCB layout is robust and ready for
prototyping.
When designing a server, tablet, or electronic point-of-
sale machine, a best-practice option with the least risk is
to simply copy the PCB layout example found on the eval-
uation module (EVM) and shown in the datasheet.
However, this may not always be possible for various rea-
sons. This article was created for these cases and details a
five-step procedure to design a good PCB layout for any
TPS62xxx integrated-switch, step-down converter. The
internal MOSFETs and integrated loop-compensation cir-
cuitry greatly simplify the PCB layout of these devices by
reducing the difficulty and time required to do the PCB
layout. The versatile TPS62130A is used as the example
step-down converter, which can be used in each of the
above applications. Figure 1 shows the completed sche-
matic of a typical circuit.
Step #1. Place and route the input capacitor
The input capacitor is the single-most important compo-
nent for reliable operation of any step-down converter. As
such, it should be the first component placed in the layout
after the IC. Route the capacitor to the IC immediately
after it is placed, so that nothing else can be routed in its
path. Extra parasitic inductance between the input capaci-
tor’s terminals, both power and ground, and the IC’s PVIN
and PGND terminals creates excessive voltage spikes due
to the switching action from V = L × dI/dt. This can lead to
IC failure.
Place the input capacitor as close to the IC as allowed
by manufacturing rules. Planes connect the input capaci-
tor’s terminals to the IC’s. Making such a wide and short
plane connection minimizes trace inductance. Add vias to
connect to the system’s input voltage and ground. These
are added in Step #5 as they are less important. Figure 2
shows the correct placement and routing of the input
capacitor and IC. Two circuits are shown due to two
acceptable input-capacitor placements (C1 and C11)
based on the TPS62130A’s pinout (U1 and U11). Pin 1 of
the IC is in the bottom right corner.
By Chris Glaser
Applications Engineer
Figure 1. TPS62130A circuit used to step-down 12-V to 3.3-V
SW
1
SW
2
SW
3
PG
4
FB
5
AGND
6
FSW
7
DEF
8
SS/TR
9
AVIN
10
PVIN
11
PVIN
12
EN
13
VOS
14
PGND
15
PGND
16
EP
17
U1
TPS62130A
L1
2.2 µH
C3
0.1 µF
C4
3300 pF
C1
10 µF
12-V Input
R2
383 kΩ
C2
22 µF
R1
1.21 MΩ
R3
100 kΩ
3.3-V Out
Figure 2. Layout and routing of the IC and the
input capacitor to reduce voltage spikes
引言
在实现正确的性能与可靠性的
过程中
,
印刷电路板
(PCB)
布
局是一项至关重要然而却未得
到充分认识的步骤
,
对于开关
模式电源
(SMPS)
而言尤其如
此
。
PCB
布局中的错误会引
起多种不当的运行方式
,
包括
了不良的输出电压调节
、
开关
抖动
、
甚至是器件故障
。
无论
如何应避免诸如此类的问题
,
因为其修理常常需要更改
PCB
设计
。
然而
,
假如在首批
PCB
被订购之前的
PCB
布局过程
中投入必要的时间和思考
,
那
么这些隐患是可以轻松规避
的
。
本文介绍了五个简单的步骤
,
其可确保您的下一款
降压型转换器的
PCB
布局具备稳健性
,
并为原型设计做
好准备
。
当设计服务器
、
平板电脑
、
或电子收款机时
,
风险最低
的最优方法选项是简单地拷贝评估模块
(EVM)
上提供
的
、
并且在产品手册中给出的
PCB
布局示例
。
然而由
于种种原因
,
这种做法或许并非总是可行的
。
本文就是
专门针对此类场合而撰写的
,
其详细介绍了一种
5
步程
序
,
可用于设计适合任意
TPS62xxx
集成型开关
、
降压
型转换器的上佳
PCB
布局
。
通过降低
PCB
布局的难度
和减少
PCB
布局所需的时间
,
内部
MOSFET
和集成型
环路补偿电路极大地简化了此类器件的
PCB
布局
。
通用
的
TPS62130A
被用作一个降压型转换器实例
,
该器件可
在所有上述的应用中使用
。
图
1
示出了一款典型电路的
完整原理图
。
步骤
1
:实施输入电容器的安置和布线
对于任何降压型转换器来说
,
输入电容器都是其实现可
靠操作的最重要组件
。
因此
,
在布局过程中其应为
IC
之
后首先安放的组件
。
在安置了电容器之后立即将之布线
至
IC
,
这样在其走线排布的路径中就不会被置入其他的
组件
。
输入电容器端子
(
电源端子和接地端子
)
之间以
及
IC
的
PVIN
和
PGND
端子之间的额外寄生电感将由
于开关动作而产生过大的电压尖峰
(V = L x dI/dt)
。
这会
导致
IC
故障
。
在制造规则允许的情况下把输入电容器布设在尽可能靠
近
IC
的地方
。
利用平面来实现输入电容器端子至
IC
的
连接
。
采用如此宽阔和简短的平面连接方式可最大限度
地减小印制线电感
。
通过增设过孔以连接至系统的输入
电压和接地点
。
这些过孔的增设在
“
步骤
5
”
中进行
,
因为它们的重要性没有那么高
。
图
2
示出了输入电容器
和
IC
的正确安放和布线
。
基于
TPS62130A
的引出脚
配置
(
U1
和
U11
),
输入电容器可以有两个安放位置
(
C1
和
C11
),
因此图中给出了两款电路
。
IC
的引脚
1
位于右下角
。
实现降压型转换器出色
PCB
布局的五个步骤
作者:
Chris Glaser
应用工程师
AAJ 2015
年第一季度
德州仪器
模拟应用期刊
工业
图
1
:用于实现
12 V
至
3.3 V
降压的
TPS62130A
电路
图
2
:可减小电压尖峰的
IC
和输入电容器
的布局和布线