問:要在哪裡連接切換開關穩壓器的接地層?

答:「如何使用帶有類比接地層(AGND)和功率接地層(PGND)的切換開關穩壓器?」這是許多開發人員在設計開關電源時會問的一個問題。一些開發人員已習慣於處理數位接地層和類比接地層;然而,涉及到功率GND時,他們的經驗往往會失效。設計者通常會直接複製所選切換開關穩壓器的電路板佈局,而不再思考這個問題。

PGND是較高脈衝電流流經的接地連接。根據切換開關穩壓器拓撲結構,這表示透過功率電晶體的電流或功率驅動器級的脈衝電流。對於帶有外部開關管的切換開關控制器,該接地層尤為重要。

AGND有時被稱為SGND (訊號接地層),是其他訊號用作參照的接地連接,通常十分平靜。該接地層包括調節輸出電壓所需的內部參考電壓。軟啟動和使能電壓也以AGND連接為參照。

關於這兩種接地連接的處理,有兩種不同的技術觀點,因此專家的意見也產生了分歧。

根據其中一種觀點,切換開關穩壓器IC上的AGND和PGND連接應該在各自接腳旁相互連接。這樣一來,兩個接腳之間的電壓偏移保持在相對較低的水準。因此可以保護切換開關穩壓器IC免受干擾,進而免遭破壞。電路的所有接地連接和可能的接地層將以星型拓撲的結構連接到該公共點。圖1所示為該觀點的實現示例。此處顯示了LTM4600的電路板佈局。這是一款10A降壓型微型模組。電路板上的獨立接地連接彼此靠在一起(請參見圖1中的藍色橢圓形)。由於晶片和外殼之間各自焊線的寄生電感,以及各自接腳的電感,因此已經存在一定程度的PGND和AGND去耦,這導致晶片上電路之間存在少量相互干擾。

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圖1:焊接觸點處PGND和AGND的局部連接

另一種觀點是將電路板上的AGND與PGND分開,形成兩個單獨的接地層,在某一點相互連接。透過這種連接,干擾訊號(電壓偏移)主要出現在PGND區域,而AGND區域的電壓仍非常平靜,並很好地從PGND去耦。然而,根據脈衝電流瞬變和電流強度情況,各自接腳上的PGND與AGND之間可能存在明顯的電壓偏移。這可能會導致切換開關穩壓器IC無法正常工作,甚至損壞。圖2所示為該觀點的實現方案。該示例採用一款6A降壓型切換開關穩壓器ADP2386。

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圖2:分開的AGND和PGND在接地標籤下方利用過孔連接

說到底,接地問題其實就是權衡利弊:分開兩個接地層具有隔離雜訊和干擾的優勢;但兩個接地層之間可能會產生電壓偏移,從而存在損壞晶片並影響功能的風險。權衡利弊後,最終決策正確與否主要取決於IC設計,包括切換開關轉換速度、功率位準、焊線和IC封裝上的寄生電感、每個IC設計的閂鎖風險(涉及不同的半導體製程)。

結論

關於如何處理AGND和PGND接地的問題,並沒有簡單的答案。所以相關討論仍在繼續。前面曾經提到,許多切換開關穩壓器使用者都採用IC製造商提供的示例電路中的電路板佈局和接地連接類型。這樣做很有用,因為您通常可以假設製造商也利用該配置對各IC進行了測試。而且,在圖1和圖2提供的示例中可以看到,各自的IC接腳排列適用於PGND和AGND旁的局部接地連接,或者適用於單獨接地。

當然,IC製造商在設計示例電路時可能會出錯。所以,最好進一步瞭解相關基本原理的更多資訊。