简介面向电源设计与PCB硬件工程师的Altium Designer工程资源围绕TPS54160加共模电感实现±15V双输出电源展开涵盖从原理图到封装库的完整设计链路适合需要快速参考或复用该拓扑的电子爱好者、硬件工程师及电源方向学生。压缩包共5个文件包含原理图SchDoc、PCB设计文件PcbDoc及预览文件、PCB封装库PcbLib等整体仅888KB结构紧凑。从内容预览看工程包含TPS54160测试板相关的原理图、PCB和封装库读者可直接在Altium Designer中打开查看布局布线学习如何配合共模电感设计双路电源的±15V输出理解电感选型、地平面处理与散热设计要点并复用封装进行二次开发。目前已有940人学习下载适合作为电源设计入门到进阶的参考样例。1. 为什么最后选了双TPS54160方案1.1 负载需求与输入条件做一块工控模拟量采集板板上的运放和ADC需要±15V供电输入来自24V工业母线。算了一下总电流运放正负轨各约80mAADC模拟供电十几毫安再加传感器激励预留正负路各按0.3A负载设计。这个电流等级说大不大但用LDO从高压直接线性降到15V会白白烧掉一大半功率用一体式DCDC模块又贵又占空间最合适的就是自己用两颗DCDC芯片搭。项目名里的“TPS54160加共模电感实现±15V双输出电源AD设计硬件原理PCB封装库.zip”说的就是这套东西一颗TPS54160输出15V另一颗接成反相Buck-Boost输出-15V输入端串一颗共模电感压EMI整个工程在Altium Designer里完成。1.2 拓扑怎么选反激、电荷泵还是双DCDC一开始我盘过三个方案。一是反激变压器主输出15V、辅助绕组出-15V理论上效率高、还能隔离但反激的变压器设计、环路补偿和PCB安规间距都麻烦打样周期长后面还要调漏感尖峰对整个项目来说太重了。二是Buck加电荷泵反压空载波形还行一带负载输出纹波就失控负载调整率也不好看只适合几十毫安以内的电流。三就是两颗DCDC正压通道用标准Buck负压通道把同一颗芯片接成反相Buck-Boost元器件种类少、调试相互影响小。相比之下双DCDC方案最踏实。正负两路都是独立的电压环路负载突变时不会互相串扰而且TPS54160的宽输入范围让这套电源既能吃24V母线也能直接吃48V后面项目复用时不用改板子。1.3 TPS54160打动我的几个点TPS54160的几个参数正好卡在需求上输入电压范围3.5V到60V工控环境里常见的24V、48V都能直接接芯片内部集成高边MOS省掉外置驱动电路开关频率可以通过一颗电阻在100kHz到2.5MHz之间设定能灵活避开系统里的敏感频段轻载时进入ECO模式待机功耗做得比较低。芯片自身带热关断、逐周期限流和过压保护电源这种一旦出问题就是大事故的模块保护功能齐全很重要。还有一点是这个芯片做负压输出有官方依据数据手册里专门有一节讲inverted supply的应用照着接不会走太多弯路。正压通道就是标准Buck负压通道用同一个芯片做反相Buck-Boost元器件的型号清单也能压缩不少。2. 负压通道反相Buck-Boost的设计要点2.1 反相Buck-Boost的工作原理负压通道的原理本质上是把TPS54160的SW开关节点外接一个电感和一个续流二极管把输出电容的极性反着接。开关管导通时输入电压给电感储能电流路径是输入正极、高边MOS、电感、负载回路开关管关断时电感电流不能突变续流二极管从地侧把电流拉过来持续向输出电容和负载供电。因为输出电容的参考端接到系统GND而电感另一端的电位被二极管钳在负值所以最终在输出端得到的是相对于GND的负电压。这个拓扑和标准Buck最大的区别在于Buck的输出电流能力等于电感平均电流而反相Buck-Boost的输出电流能力要打折扣因为电感电流既要给输出供能又要处理输入到输出的能量搬移。设计负载0.3A时如果占空比是0.385电感平均电流大概是0.3除以0.615约0.49A峰值电流还要再加上纹波电流的一半所以芯片的1.5A规格在这个负载下留足了余量。2.2 关键参数计算占空比、电感和反馈电阻输入24V、输出-15V、开关频率取600kHz占空比按反相Buck-Boost的公式算D等于输出电压绝对值除以输入电压加输出电压绝对值也就是15除以39约0.385。电感量按纹波电流控制在平均电流的40%左右来取计算结果是68μH比较合适对应的纹波电流约0.23A。实际选的是功率电感饱和电流按1.5A以上选确保在峰值电流附近电感量不会掉太多。反馈电阻的分压关系也要按负压重新理一遍。TPS54160的反馈基准是0.8V我的接法是上分压电阻从反馈引脚接到负压输出端下分压电阻从反馈引脚接到GND这样负压值通过分压折算到FB脚。取上分压121k、下分压6.8k得到的反馈电压约0.8V正好落在基准附近。输出电容选的是22μF陶瓷电容加100μF电解电容并联。反相Buck-Boost的输出纹波主要靠电容的ESR和容量来压陶瓷电容负责高频分量电解电容负责低频瞬态两路并联之后的纹波实测在30mV以内。2.3 负压通道的实测表现与注意事项实测负压通道带0.3A负载时效率大约85%比正压通道的Buck效率低几个点这是反相拓扑的固有代价可以接受。负载从空载切换到满载时负压输出有约50mV的跌落恢复时间大概两百微秒对模拟前端来说够用。这里有个容易忽略的点负压通道的启动时序。如果正压已经建立而负压还没起来板子上某些双电源运放会进入闩锁或者输出不定的状态。我在设计里给负压通道的EN引脚单独设了UVLO让输入电压升到18V以上才开始工作同时靠RC延时电路让负压通道比正压通道晚一点启动实际测试没有出现运放异常。3. 共模电感对EMI的抑制与选型实测3.1 共模电感解决的是哪一类EMI问题开关电源的SW节点有快速变化的dv/dt这个电压变化会通过MOSFET的寄生电容、电感的寄生电容以及PCB走线对地的寄生电容形成共模电流共模电流沿着电源线往外跑就成了传导发射的主要来源。普通的差模滤波电感对共模噪声无能为力因为差模电感对同方向的电流不敏感所以需要在电源入口处加共模电感它对差模电流呈现低阻抗对共模电流呈现高阻抗从而把开关噪声挡在系统内部。实际做传导测试时如果不加共模电感24V输入线上在600kHz到3MHz频段会冒出一串谐波每个频率点都往上刺。加了共模电感之后3MHz附近的尖峰能压下去十几dB效果非常直观。如果系统有保护地还可以在共模电感两侧各加一颗2.2nF的Y电容连到机壳地把共模电流引回地而不是顺着线缆跑出去。3.2 选型看额定电流、DCR和阻抗共模电感的选型主要看三个参数额定电流、直流电阻DCR和阻抗曲线。额定电流要按输入侧的总电流叠加来算正压通道0.3A负载时输入电流约0.42A负压通道约0.22A加起来不到0.7A我选的是1A规格留了余量。DCR尽量低压降和发热都更小这颗选下来是80mΩ左右满载时压降几十毫伏可以忽略。阻抗方面看100MHz下的标称值600到1000Ω是常见选择太低了滤波效果不够太高了往往意味着绕组匝数多、寄生电容大高频反而漏过去。共模电感的漏感也有点用。因为两个绕组绕制不完全对称会形成一定的差模电感约为标称电感量的1%到2%相当于给输入端额外加了一只小差模电感所以我在输入端没有再单独放差模电感整体EMI滤波电路很紧凑。3.3 实测频谱与布局位置的配合第一次打样时我把共模电感放在离TPS54160很近的位置结果传导发射反而没有降多少。后来才发现是位置的问题共模电感离开关节点太近开关噪声直接通过空间耦合到电感绕组上滤波器成了噪声接收器。改版后把共模电感移到输入连接器旁边中间用完整地平面隔开远离SW节点和电感再测频谱就干净了。另外要注意共模电感下方的铺地处理。我习惯在它下面保留完整地平面让参考面连续避免差模回路面积被拉大。如果后续遇到更高的频点超标可以再尝试把下方的铜挖空对比一下这属于需要实测验证的调整项不是绝对的规则。4. Altium Designer工程落地封装库、多Part与Variant4.1 工程包里封装库的组织方式这个工程打包后里面是完整的Altium Designer工程包含原理图、PCB和封装库。封装库我用了集成库IntLib的做法把原理图符号、PCB封装和3D模型绑在一起调用和发布都方便。封装来源一部分是TI官网提供的Altium格式封装另一部分是自己按IPC-7351B标准做的。官网有现成封装能省不少时间但下载后也要检查焊盘尺寸、丝印位置和3D模型是否匹配自制封装时重点看焊盘热焊盘尺寸、丝印线宽和位号位置常规Checker能过不代表实际焊接没问题。遇到过比较坑的是电源芯片的散热焊盘。TPS54160底部有PowerPad如果封装里的散热焊盘尺寸做小了焊接时芯片对不准地平面散热和电气连接都会出问题。我按数据手册推荐的焊盘尺寸做并在PCB封装里给散热焊盘加了阵列过孔打样回来后焊接和散热都正常。4.2 多Part芯片导入PCB后变成两个封装的修复这套工程里有一片多Part的混合信号芯片原理图库拆成U1A、U1B、U1C、U1D四个Part按理说导入PCB后应该只有一个封装。但第一次导入时PCB上却出现了两个封装其中一个只有部分引脚排查下来是原理图里放置时系统把其中两个Part当成了独立元件Designator分别变成了U1和U2导致ECO导入时被当成两个器件。解决办法是回到原理图库确认这四个Part都在同一个Component下所有Part的Footprint模型都指向同一个PCB封装然后在原理图里把错乱的Designator统一改回U1删掉多余的U2再重新Update PCB。如果有更复杂的情况比如两个封装已经在PCB上布局好了可以手动删掉多余封装重新做一次元件关联把引脚映射到正确封装上。核心是要理解多Part元件只是同一个元件的多个图形块不是多个独立器件。4.3 用Variant区分正常器件与NC器件同一个PCB在不同批次会有不同配置比如某些跳线电阻用0欧姆还是NC不焊某些预留的滤波电容在简化版里不贴。Altium的Variant功能正好处理这个需求我在工程里建了Full和Lite两个变体在Project下的Variants面板里把Lite模式下不焊接的器件标记为Not Fitted需要更换参数的器件还可以指定Alternative Part。生成BOM和装配输出时在Output Job里选择对应Variant导出的BOM自动剔除NC器件装配图也跟着变化。这个操作比在每个器件上手动加参数过滤要可靠得多因为Variant是AD的原生机制BOM、PDF、Gerber都能联动。需要注意NC器件不是从原理图里删掉而是保留在位这样后续切回Full版本时不需要重新放置和布线。PCB布局复用时也有个相关技巧如果正压通道和负压通道的Layout结构对称可以先把正压通道的布局布通在PCB里用Rooms复制到负压通道区域再逐根网络重新分配。虽然不能完全一键完成但能省掉大量重复调整封装位置的时间。5. PCB布局中的实战取舍与踩坑记录5.1 功率环路和开关节点怎么摆开关电源PCB设计第一条就是功率环路面积最小化。对TPS54160来说输入电容要尽量靠近VIN引脚和GND让芯片、输入电容、续流二极管之间的高频电流回路尽可能短。正压通道的SW节点走线要短而宽铺铜而不是细线减少寄生电感和辐射面积。负压通道因为拓扑反转续流二极管的阳极接地、阴极接SW和电感节点这个二极管的摆放更要贴着芯片的SW引脚和电感焊盘环路一点都不能拖沓。我实际摆板时把正压通道和负压通道分成了两个独立区域中间用地平面隔开避免两路的输出电感互相耦合。每路的电感方向也做了处理让磁力线尽量不交叉。5.2 地平面、过孔和采样走线的取舍地平面处理上功率地和模拟地之间采用了单点连接的方式整板用完整地平面作为参考只在TPS54160的PowerPad下方打阵列过孔让热量和电流都能顺畅导入地层。反馈采样走线很关键要从输出电容的末端单独拉一条细线到FB引脚避开SW节点和电感防止开关噪声串进反馈环路。如果反馈走线必须穿过功率区域我会在它旁边加一条地线做屏蔽。电源芯片的散热焊盘和PCB地平面的连接直接影响满载温升。我实测过散热焊盘过孔数量从4个增加到9个芯片温度能降低十几度所以这块不要省。5.3 三个印象深刻的坑第一个坑是负压通道的地回路。第一次布板时负压通道的输出电容和续流二极管的地走线绕了一段导致负压纹波偏大重新调整地过孔位置、缩短地回路后才解决。第二个坑是共模电感的摆放就是前面提到的离开关节点太近传导发射压不住后来移到输入连接器附近才正常。第三个坑是电感选型只看饱和电流没看温升小体积电感在满载时表面温度接近100度后面换了更大尺寸的电感才把温度降下来。这套方案打样回来第一次上电正负15V就都起来了传导发射测试也一次通过省掉了不少返工时间。最后再分享一个小建议Altium的Variant功能别等到量产再学项目一开始就把变体建好后面每次改版、出BOM都能少折腾很多。共模电感的位置和负压通道的电感峰值电流计算是这套电源设计里最值得花时间确认的两个点前期多花半小时后期少熬两个夜。本文还有配套的精品资源点击获取