四開關(guān)降壓-升壓布局技巧：將差分傳感線與電源平面分離

1. 前言

還是以LM5175為例，講一下PCB布局將差分傳感線與電源平面分離。

LM5175-Q1是一個(gè)寬輸入電壓四開關(guān)降壓控制器IC集成驅(qū)動(dòng)器的n通道mosfet。當(dāng)VIN大于VOUT時(shí)工作在降壓模式，當(dāng)VIN小于VOUT時(shí)工作在升壓模式。當(dāng)VIN接近VOUT時(shí)，設(shè)備運(yùn)行在一個(gè)專有的過(guò)渡降壓或升壓模式。該控制方案在規(guī)定的工作范圍內(nèi)為任何輸入/輸出組合提供平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)VIN等于VOUT時(shí)，降壓或升壓過(guò)渡控制方案提供了低紋波輸出電壓，而不影響效率。

LM5175-Q1集成了四個(gè)n通道MOSFET驅(qū)動(dòng)器，包括兩個(gè)低側(cè)驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)高側(cè)驅(qū)動(dòng)器，消除了外部驅(qū)動(dòng)器或浮動(dòng)偏置電源的需要。內(nèi)部VCC調(diào)節(jié)器提供內(nèi)部偏置軌道以及MOSFET門驅(qū)動(dòng)器。VCC穩(wěn)壓器由輸入電壓通過(guò)VIN引腳供電，或從輸出或外部電源通過(guò)BIAS引腳供電，以提高效率。

PWM控制方案基于降壓工作的谷電流模式控制和升壓工作的峰值電流模式控制。電感電流通過(guò)與低側(cè)mosfet串聯(lián)的單個(gè)感應(yīng)電阻來(lái)感知。感知到的電流也被監(jiān)測(cè)為一個(gè)周期一個(gè)周期的電流極限。LM5175-Q1在過(guò)載條件下的行為取決于模式引腳編程(參見模式引腳配置)。如果選擇了打嗝模式故障保護(hù)，控制器在一個(gè)周期接一個(gè)周期的電流限制中，在一個(gè)固定的開關(guān)周期后關(guān)閉，在另一個(gè)固定的時(shí)鐘周期后重新啟動(dòng)。這種打嗝模式減少了持續(xù)過(guò)載狀態(tài)下電源組件中的加熱。如果通過(guò)mode引腳禁用打嗝模式，控制器將保持在一個(gè)周期一個(gè)周期的電流限制條件，直到過(guò)載被消除。對(duì)于噪聲敏感的應(yīng)用，MODE引腳也選擇連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)或間斷傳導(dǎo)模式(DCM)，以獲得更高的輕載效率。

除了周期電流限制，LM5175-Q1還提供了一個(gè)可選的平均電流調(diào)節(jié)環(huán)路，可以配置為輸入或輸出電流限制。這是有用的電池充電或其他應(yīng)用程序，一個(gè)恒定的電流行為可能需要。

LM5175-Q1的軟啟動(dòng)時(shí)間是由連接到SS引腳的電容編程，以最小化啟動(dòng)期間的浪涌電流和超調(diào)。

精密EN/UVLO引腳支持滯后的可編程輸入欠壓鎖定(UVLO)。輸出過(guò)電壓保護(hù)(OVP)功能關(guān)閉高側(cè)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，在FB引腳的電壓是7.5%以上的名義0.8 v VREF。PGOOD輸出指示當(dāng)FB電壓在VREF中心±10%調(diào)節(jié)窗口內(nèi)。

2. PCB布局將差分傳感線與電源平面分離

布局中最常遇到的問(wèn)題是從檢測(cè)電阻到 TI 的 LM5175 集成電路 (IC) 引腳（CS-CSG 對(duì)）的差分檢測(cè)信號(hào)的布線不正確。傳感連接的示例如圖 1 所示。

圖 1：LM5175 原理圖顯示了從功率級(jí)到控制器引腳的差分檢測(cè)連接。

在某些情況下，設(shè)計(jì)人員會(huì)犯此錯(cuò)誤，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)（檢測(cè)電阻器的下側(cè)，在黃色圓圈中標(biāo)記為節(jié)點(diǎn)“N”）在電氣上與電路接地 (GND) 相同。因此，布局工程師不清楚需要差分路由 CS-CSG 對(duì)（攜帶小信號(hào)（數(shù)十毫伏））。圖 2 顯示了這個(gè)常見錯(cuò)誤。

圖 2：(a) 更正差分電流檢測(cè)布線和 (b) 布線差分檢測(cè)信號(hào)時(shí)的常見錯(cuò)誤。

在其他情況下，設(shè)計(jì)人員確實(shí)認(rèn)識(shí)到需要對(duì)電流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行差分路由。但是在完成電路板的過(guò)程中，負(fù)極走線連接到平面或覆銅，因?yàn)椴季止ぞ邔⒕W(wǎng)絡(luò)視為接地 (GND) 網(wǎng)絡(luò)。如圖 3 所示，這種意外連接可能發(fā)生在沿線的任何地方。在接下來(lái)的段落中，我將描述一些常見的做法來(lái)避免這種情況。

圖 3：差分檢測(cè)信號(hào)與電源接地層的無(wú)意連接示例。

3.網(wǎng)絡(luò)關(guān)系

網(wǎng)絡(luò)連接允許在原理圖中人為地分離網(wǎng)絡(luò)名稱（圖 4）。這允許布局工具將 N1 和 N2 視為單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)，并保護(hù)大部分差分走線 (N2) 免受意外連接到地平面或澆筑。缺點(diǎn)是 N1 部分在技術(shù)上是一個(gè) GND 網(wǎng)，因此仍然需要與 GND 平面或覆銅分離（圖 4）。

圖 4：使用 Net-Tie 防止感應(yīng)信號(hào)意外連接到銅層或覆銅層的示例。

4.多邊形切口或保留切口

許多布局工具提供稱為多邊形切口或多邊形保留的功能。多邊形禁止創(chuàng)建一個(gè)邊界，防止多邊形或銅澆注進(jìn)入。多邊形禁止層必須從頭到尾遵循感測(cè)軌跡。當(dāng)感測(cè)跡線通過(guò)過(guò)孔改變層時(shí)，我們必須格外小心。在這種情況下，您必須在通孔周圍的所有層上使用多邊形保持區(qū)。圖 5 顯示了一個(gè)示例。

圖 5：正確使用多邊形切口將感應(yīng)走線與電源平面分開。

感測(cè)走線的不正確布線會(huì)破壞原本良好的設(shè)計(jì)。識(shí)別感應(yīng)痕跡——尤其是那些與銅區(qū)域、平面或澆注共享網(wǎng)絡(luò)名稱的痕跡——是必不可少的。在印刷電路板 (PCB) 設(shè)計(jì)期間，這些走線必須使用網(wǎng)線或多邊形保持器隔離，以防止無(wú)意中連接到銅平面。