ST AN2937 Application note

AN2937

Application note

Power system demonstration kit based on the PM6686 dual step-down controller with adjustable voltages and adjustable LDO

Introduction

The PM6686 is a dual step-down controller with adjustable output voltages, adjustable LDO and charge pump circuit for notebook power systems. The PM6686 demonstration kit for system supply represents a typical application circuit, and allows testing of all the functions of the PM6686 device. It provides two switching sections with 5 V (OUT1) and 3.3 V (OUT2) outputs from 8 V to 28 V input battery voltage. The operating switching frequency of the two sections is 400 kHz and 300 kHz, respectively. Each switching section delivers more than 5 A of output current. An internal linear regulator can provide 5 V at 100 mA peak current. The charge pump circuit provides an auxiliary 12 V output voltage.

Figure 1. PM6686 demonstration kit for system supply

August 2009

Doc ID 15418 Rev 1

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www.st.com

Contents

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Contents

1

Main features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 5

2

Demonstration kit schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3

Jumper settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

4

Component list . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

5

Demonstration kit layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

6

I/O interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

7

Recommended equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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8

Quick start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

9

Jumper settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

 

9.1

Switching sections - operating modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

 

9.2

Enable switching section 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

 

9.3

Enable switching section 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

 

9.4

Switching sections - frequency selection (TON) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

 

9.5

Linear regulator LDO enable (EN_LDO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

 

9.6

LDO regulation (LDOREFIN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

 

9.7

External bypass connections for the linear regulator (BYP) . . . . . . . . . . .

18

 

9.8

OUT1 switching section regulation (FB1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

 

9.9

Current limit of OUT1 switching section (ILIM1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

 

9.10

OUT2 switching section regulation (REFIN2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

 

9.11

Current limit of OUT2 switching section (ILIM2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

 

9.12

Connection of LDO output (5 V) to the PVCC pin (LDO5V_BYP) . . . . . .

21

 

9.13

Regulation of the charge pump CP (CP SEL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

 

9.14

Output 1, virtual ESR connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

 

9.15

Output 2, virtual ESR connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

 

9.16

LGATE source for charge pump circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

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Doc ID 15418 Rev 1

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Contents

 

 

9.17 MOSFET dual option, high-side connection section 1 . . . . . . . . . . . . . . . 22 9.18 MOSFET dual option, high-side connection section 2 . . . . . . . . . . . . . . . 23

10

Test setup and performance summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

 

10.1

Test setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

11

Representative waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

 

11.1

Operating modes - Skip, NA skip, PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

11.1.1 Switching sections soft-start and soft-end . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 11.1.2 Load transient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 11.1.3 Fault management: overvoltage and undervoltage . . . . . . . . . . . . . . . . 31

11.2 Typical operating characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

11.2.1 OUT1 and OUT2 output efficiency vs. load current . . . . . . . . . . . . . . . . 33 11.2.2 OUT1 and OUT2 switching frequency vs. load current . . . . . . . . . . . . . 34 11.2.3 OUT1 and OUT2 output voltage vs. load current . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 11.2.4 Power consumption analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

12

Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

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List of tables

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List of tables

Table 1. Component list . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Table 2. Demonstration board test points. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Table 3. Jumper S1 SKIP (connect SKIP pin to S1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Table 4. Jumper S2 EN2 (connect the EN2 pin to S2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Table 5. Jumper S3 EN1 (connect EN1 pin to S3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Table 6. Jumper S4 TON (connect TON pin to S4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Table 7. Jumper S5 EN_LDO (connect EN_LDO pin to S5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Table 8. Jumper S6 LDOREFIN (connect LDOREFIN pin to S6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Table 9. Jumper S7 BYP (connect LDO_SW pin to S7). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Table 10. Jumper S8 FB1 (connect FB1 pin to S8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Table 11. Jumper S9 ILIM1 (connect ILIM1 pin to S9) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Table 12. Jumper S10 REFIN2 (connect REFIN2 pin to S10) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Table 13. Jumper S11 ILIM2 (connect ILIM2 pin to S11) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Table 14. Jumper S12 LDO5V BYP (connect PVCC pin to S12) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Table 15. Jumper S13 CP SEL (connect CP_FB pin to S13). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Table 16. Jumper S14 VESR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Table 17. Jumper S15 VESR2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Table 18. Jumper S16 CP_SOURCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Table 19. Jumper S17 DUAL_GATE_1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Table 20. Jumper S18 DUAL_GATE_2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Table 21. Document revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

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List of figures

 

 

List of figures

Figure 1.

PM6686 demonstration kit for system supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 1

Figure 2.

PM6686 demonstration kit schematic diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 7

Figure 3.

PM6686 demonstration board layout - top layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

Figure 4.

PM6686 demonstration board layout - inner layer 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

Figure 5.

PM6686 demonstration board layout - inner layer 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Figure 6.

PM6686 demonstration board layout - bottom layer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Figure 7.

Test setup connections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

Figure 8.

SMPS pulse skip mode, no load. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

Figure 9.

SMPS no-audible skip mode, no load. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

Figure 10.

SMPS PWM mode, no load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

Figure 11.

Section 1 soft-start waveforms; 5 A constant current load applied . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

Figure 12.

Section 2 soft-start waveforms; 5 A constant current load applied . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

Figure 13.

OUT1 soft-end, no load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

Figure 14.

OUT2 soft-end, no load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

Figure 15.

Tracking soft-start EN2 connected to VREF2, no loads applied. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

Figure 16.

Tracking soft-end EN2 connected to VREF2, no loads applied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

Figure 17.

OUT1 = 5 V PWM load transient 2 A/µs 0-5 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

Figure 18.

OUT2 = 5 V skip load transient 2 A/µs 0-5 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

Figure 19.

OUT2 = 3.3 V PWM load transient 2 A/µs 0-5 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

Figure 20.

OUT2 = 3.3 V skip load transient 2 A/µs 0 - 5 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

Figure 21.

Undervoltage protection (UVP) management. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

Figure 22.

Overvoltage protection management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

Figure 23.

Overvoltage protection management: EN pulled low . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

Figure 24.

Efficiency vs. load current; OUT1=5 V, TON=VCC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

Figure 25.

Efficiency vs. load current; OUT2=3.3 V, TON=VCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

Figure 26.

Switching frequency vs. load current; OUT1=5 V, TON=VCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

Figure 27.

Switching frequency vs. load current; OUT2=3.3 V, TON=VCC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

Figure 28.

Output voltage vs. load current; OUT1=5 V, TON=VCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

Figure 29.

Output voltage vs. load current; OUT2=3.3 V, TON=VCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

Figure 30.

Input current vs input voltage, PWM mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

Figure 31.

Input current vs. input voltage, NA skip mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

Figure 32.

Input current vs. input voltage, skip mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

Figure 33.

Input current consumption vs. input voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

Figure 34.

Input current consumption vs. input voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Main features

AN2937

 

 

1Main features

5.5 V to 28 V input voltage range

Dual fixed 1.05 V/3.3 V and 1.5 V/5.0 V outputs or adjustable 0.7 V to 5.5 V (SMPS1) and 0 V to 2.5 V (SMPS2), ±1.5% accuracy over valley regulation

Low-side MOSFET RDS(on) current sensing and programmable current limit

Constant on-time control

Selectable switching frequency

Soft-start (internally fixed at 2.8 ms) and soft-stop

Selectable pulse skipping at light loads

Selectable minimum frequency (33 kHz) in pulse skip mode

Independent Power Good and EN signals

Latched OVP and UVP

Charge pump feedback

Fixed 3.3 V/5.0 V, or adjustable output 0.7 V to 4.5 V, ±1.5% (LDO): 200 mA

3.3 V reference voltage ± 2.0%: 5 mA

2.0 V reference voltage ±1.0%: 50 µA

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schematickit demonstration PM6686 .2 Figure

schematic kit Demonstration

 

 

 

 

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3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0'.$

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*0)

 

 

 

 

 

 

*0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2%&

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7/41

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2%&

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jumper settings

AN2937

 

 

3Jumper settings

S7 (BYP jumper) shorted to OUT1

S8 (FB1 jumper) 1 shorted to GND

S9, S11 (ILIM1, ILIM2 jumper) shorted to resistors

S12 (LDO to PVCC jumper) shorted

S10 (REFIN2 jumper) shorted to VCC

S6 (LDOREFIN jumper) shorted to GND

S13 (CP_SEL jumper) floating

S14 (VESR OUT1) open

S15 (VESR OUT2) shorted to OUT2

S16 (CP connection) open

S17-S18 (HS MOS connections) shorted

8/41

Doc ID 15418 Rev 1

AN2937

Component list

 

 

4 Component list

Table 1.

Component list

 

Reference

Description

Value

 

 

 

 

 

C1

Ceramic capacitor 0603 6.3 V

100 nF

 

 

 

 

 

C2

Ceramic capacitor 0603 6.3 V

1 µF

 

 

 

 

 

C3

Ceramic capacitor 0603 6.3 V

NM

 

 

 

 

 

C4

Ceramic capacitor 0805 25 V

1 µF

 

 

 

 

 

C5

Ceramic capacitor 0805 6.3 V

4.7 µF

 

 

 

 

 

C6

Ceramic capacitor 0603 6.3 V

100 nF

 

 

 

 

 

C7

Ceramic capacitor 0603 6.3 V

1 µF

 

 

 

 

 

C8

Ceramic capacitor 0805 16 V

100 nF

 

 

 

 

 

C9

Ceramic capacitor 0805 16 V

100 nF

 

 

 

 

 

C10

Ceramic capacitor 0805 16 V

100 nF

 

 

 

 

 

C11

Ceramic capacitor 0805 16 V

100 nF

 

 

 

 

 

C12

Ceramic capacitor 0603 6.3 V

100 nF

 

 

 

 

 

C13

Ceramic capacitor 10 µF 1210 35 V

UMKK325BJ106KM

 

Taiyo Yuden

 

 

 

 

 

 

 

 

C14

Ceramic capacitor 10 µF 1210 35 V

UMKK325BJ106KM

 

Taiyo Yuden

 

 

 

 

 

 

 

 

C15

Ceramic capacitor 10 µF 1210 35 V

UMKK325BJ106KM

 

Taiyo Yuden

 

 

 

 

 

 

 

 

C16

Ceramic capacitor 10 µF 1210 35 V

UMKK325BJ106KM

 

Taiyo Yuden

 

 

 

 

 

 

 

 

C17

Ceramic capacitor 0603 6.3 V

100 nF

 

 

 

 

 

C18

POSCAP capacitor 6TPF220ML

 

 

 

 

 

 

C19

POSCAP capacitor 12 mΩ

220 µF

 

 

 

 

 

C20

Ceramic capacitor 0805 50 V 1 nF

NM

 

 

 

 

 

C21

Ceramic capacitor 0603 6.3 V

100 nF

 

 

 

 

 

C22

POSCAP capacitor 6TPF220ML

 

 

 

 

 

 

C23

POSCAP capacitor 220 µF 12 mΩ

NM

 

 

 

 

 

C24

Ceramic capacitor 0805 50 V 1 nF

NM

 

 

 

 

 

C25

Ceramic capacitor 0603 6.3 V 100 nF

100 nF

 

 

 

 

 

C26

Ceramic capacitor 10 µF 1210 35 V

NM

 

 

 

 

 

C27

Ceramic capacitor 0603 6.3 V 1 nF

NM

 

 

 

 

 

C28

Ceramic capacitor 0603 6.3 V 1 nF

NM

 

 

 

 

 

C29

Ceramic capacitor 10 µF 1210 35 V

NM

 

 

 

 

Doc ID 15418 Rev 1

9/41

Component list

 

 

AN2937

 

 

 

 

 

 

Table 1.

Component list (continued)

 

 

 

 

 

 

Reference

Description

Value

 

 

 

 

 

 

 

D1

Schottky diode STPS1L30M

 

 

 

 

 

 

 

 

D2

Schottky diode STPS1L30M

 

 

 

 

 

 

 

 

D3

Schottky diode BAT54SFILM

 

 

 

 

 

 

 

 

D4

Schottky diode BAT54SFILM

 

 

 

 

 

 

 

 

D5

Schottky diode BAT54AFILM

NM

 

 

 

 

 

 

 

L1

Coilcraft MSS1048-332

 

 

 

 

 

 

 

 

L2

Coilcraft MSS1048-332

 

 

 

 

 

 

 

 

M1

Power NMOS SO-8 STS17NH3LL

NM

 

 

 

 

 

 

 

M2

Power NMOS SO-8 STS17NH3LL

NM

 

 

 

 

 

 

 

M3

Power NMOS SO-8 STS15N4LLF3

NM

 

 

 

 

 

 

 

M4

Power NMOS SO-8 STS15N4LLF4

NM

 

 

 

 

 

 

 

Q1

Power SO-8 DUAL STS9DNH3LL

 

 

 

 

 

 

 

 

Q2

Power SO-8 DUAL STS9DNH3LL

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

Resistor 0603

220 kΩ

 

 

 

 

 

 

 

R2

Resistor 0603 0.5%

51 kΩ

 

 

 

 

 

 

 

R3

Resistor 0603 0.5%

11 kΩ

 

 

 

 

 

 

 

R4

Resistor 0603 0.5%

NM

 

 

 

 

 

 

 

R5

Resistor 0603 0.5%

NM

 

 

 

 

 

 

 

R6

Resistor 0603

300 kΩ

 

 

 

 

 

 

 

R7

Resistor 0805

NM

 

 

 

 

 

 

 

R8

Resistor 0805

2.2 Ω

 

 

 

 

 

 

 

R9

Resistor 0805

NM

 

 

 

 

 

 

 

R10

Resistor 0603

200 kΩ

 

 

 

 

 

 

 

R11

Resistor 0603

39 kΩ

 

 

 

 

 

 

 

R12

Resistor 0805

NM

 

 

 

 

 

 

 

R13

Resistor 0805

2.2 Ω

 

 

 

 

 

 

 

R14

Resistor 0805

NM

 

 

 

 

 

 

 

R15

Resistor 0603

220 kΩ

 

 

 

 

 

 

 

R16

Resistor 0603

300 kΩ

 

 

 

 

 

 

 

R17

Resistor 0805 3 Ω

NM

 

 

 

 

 

 

 

R18

Resistor 0805 3 Ω

NM

 

 

 

 

 

 

 

R19

Resistor 0603

150 kΩ

 

 

 

 

 

 

 

R20

Resistor 0603

390 kΩ

 

 

 

 

 

 

 

R21

Resistor 0805

0 Ω

 

 

 

 

 

 

 

R22

Resistor 0805

0 Ω

 

 

 

 

 

10/41

Doc ID 15418 Rev 1

AN2937

 

 

Component list

 

 

 

 

 

 

Table 1.

Component list (continued)

 

 

 

 

 

 

Reference

Description

Value

 

 

 

 

 

 

 

R23

Resistor 0805

0 Ω

 

 

 

 

 

 

 

R24

Resistor 0805

0 Ω

 

 

 

 

 

 

 

R25

Resistor 0603

NM

 

 

 

 

 

 

 

R26

Resistor 0603

NM

 

 

 

 

 

 

 

R27

Resistor 0603

NM

 

 

 

 

 

 

 

R28

Resistor 0603

NM

 

 

 

 

 

Doc ID 15418 Rev 1

11/41

Demonstration kit layout

AN2937

 

 

5 Demonstration kit layout

Figure 3. PM6686 demonstration board layout - top layer

Figure 4. PM6686 demonstration board layout - inner layer 1

12/41

Doc ID 15418 Rev 1

ST AN2937 Application note

AN2937

Demonstration kit layout

 

 

Figure 5. PM6686 demonstration board layout - inner layer 2

Figure 6. PM6686 demonstration board layout - bottom layer

Doc ID 15418 Rev 1

13/41

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