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2020年08月24日 | 布线指南：提高汽车电源性能、降低电磁辐射
2020-08-24
使用高频开关稳压器时，好的汽车电源 PCB 布线可以提供更干净的输出，并且简化 EMI 测试中的调试工作。本文以 MAX16903/MAX16904 开关稳压器设计为例，介绍如何布线以获得最佳的性能，并降低辐射。
引言
使用高频开关稳压器(如 MAX16903/MAX16904)时，好的汽车电源 PCB 布线可以提供更干净的输出，并且简化电磁干扰(EMI)测试中的调试工作。本文以 MAX16903/MAX16904 开关稳压器设计为例，介绍优化系统性能的布板原则。
布线通用规则
将输入电容 C3、电感 L1 和输出电容 C2 形成的环路面积保持在最小。
BIAS 输出电容(C4)尽可能靠近第 13 引脚(BIAS)和第 14 引脚(GND)放置，引脚和电容之间不要出现过孔。这是 IC 的模拟电源输入，阴线上的任何电感都会在 BIAS 电源引入噪声，从而增大 LX 输出的抖动。
使用尽可能短的引线。
优化 AC-DC 电流路径
为了尽可能降低电磁辐射，MAX16903/MAX16904 外围元件的布局非常关键。电流跃变的路径称为交流路径，出现在开关 ON/OFF 操作时。开关接通 / 断开(ON/OFF)之后，电流路径的电流为直流路径。
交流路径
MAX16903 同步 DC-DC 转换器的开关电流通路需要 3 个无源元件(C2、C3、L1)，这三个元件对电磁辐射和器件性能的影响非常大。图 1、图 2 给出了 ON、OFF 周期的电流路径；图 3 说明了出现最高 di/dt 的两个电流路径的差异。应优先考虑 C3 的布线，其次是 L1 和 C2 的布线。
图 1. PMOS 导通状态下的 OUT2 电流路径
图 2. DMOS 导通状态下的 OUT2 电流路径
图 3. OUT2 交流路径的差别
自举交流路径
MAX16903/MAX16904 DC-DC 转换器使用了一个高边 DMOS 管，要求在 LX 引脚(DMOS 源极)产生高于 5V 的电压。为了产生该电压，需要在 LX/BST 引脚之间连接一个自举电容(图 4)，DMOS 处于 OFF 期间，5V BIAS 稳压器对自举电容 C1 充电；BIAS 输出还为误差放大器供电。因此，须尽可能保持干净(低噪)的 BIAS，以免对误差放大器造成负面影响，在 C4 和 MAX16903/MAX16904 之间保持尽可能小的电感，C4 应尽可能靠近 14 脚(GND)和 13 脚(BIAS)放置，不要增加过孔。
图 4. 自举电容交流路径
扩频
对于改善布线也无法通过用户测试的情况，可以定制具有时钟扩频的 MAX16903/MAX16904 产品，具有扩频功能的器件与标准版本的器件相比能够使 FM 频带的噪声降低 15dB。有关定制扩频版本器件的流程，请参考数据手册中的相关说明。
举例：两层 PCB 板布线，器件采用 TSSOP 封装
图 5 和图 6 按照上述布线原则设计电路板，采用两层板。
图 5. 两层板布线(顶层)，器件为 TSSOP 封装
图 6. 两层板布线(底层)，器件为 TSSOP 封装
举例：两层板布线，器件采用 TDFN 封装
图 7 和图 8 给出了一个两层板的布线示例。
图 7. 两层板布线(顶层)，器件为 TDFN 封装
图 8. 两层板布线(底层)，器件为 TDFN 封装
主电源滤波
主电源滤波非常重要，因为进入模块之前最后一个降低电磁辐射的机会。对于高频开关稳压器，如 MAX16903，传导辐射大多出现在 FM 频段(76MHz-108MHz)。为了降低辐射，可以增加一个在此频带具有较高阻抗的铁氧体磁珠，或者是谐振频率大于 108MHz 的电感。
结论
针对开关稳压器 MAX16903 (图 9)外围元件的合理布局，有助于从源头降低噪声和电磁辐射，有助于节约项目评估阶段的宝贵时间，简化设计。
表 1. 元件列表
图 9. 用于 PCB 布板的原理图
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