PCB電(diàn)源设计的7个注意事项

2021-04-25

PCB電(diàn)源设计的7个注意事项

您是否考虑过如何在复杂的PCB中传输功率？是的，对于PCB设计者来说，设计一种電(diàn)源以向每个PCB组件（IC，发射器，電(diàn)容器等）提供所需的電(diàn)源是一项艰巨的工作，因為(wèi)每个组件的電(diàn)源要求都各不相同。只有(yǒu)完美的電(diàn)源设计才能(néng)帮助克服这一挑战。

随着電(diàn)路设计密度和复杂度的增加，電(diàn)源设计的复杂性也得到了放大。為(wèi)PCB设计人员提供了PCB電(diàn)源设计和布局的几种可(kě)能(néng)性。尽管PCB電(diàn)源设计多(duō)种多(duō)样，但设计人员必须遵循某些规则并处理(lǐ)与之相关的常见问题。

電(diàn)源设计中要处理(lǐ)的一些常见问题包括EMI，用(yòng)于处理(lǐ)大電(diàn)流的走線(xiàn)设计，减少電(diàn)流环路，选择组件以及遵循数据表的布局 建议。

PCB電(diàn)源设计

PCB電(diàn)源的设计注意事项

选择合适的PCB電(diàn)源稳压器

電(diàn)源的热管理(lǐ)

接地层和電(diàn)源层，可(kě)提供更好的PCB電(diàn)源

去耦電(diàn)容器和旁路電(diàn)容器

EMI滤波

输電(diàn)系统的频率响应

電(diàn)源完整性（PI）

PCB電(diàn)源设计

電(diàn)源设计的目的不仅仅是将電(diàn)源从交流转换為(wèi)直流。電(diàn)源的功能(néng)是以正确的電(diàn)压和電(diàn)流向電(diàn)路组件供電(diàn)。将来，電(diàn)压通常低至1.8V和1.2V的器件。低压会降低電(diàn)源噪声的容忍度。

電(diàn)源还要求電(diàn)流限制以限制最大電(diàn)流。因此，電(diàn)源的重要参数是電(diàn)压，最大電(diàn)流，電(diàn)压纹波和最大電(diàn)流下的热损耗。 

電(diàn)子電(diàn)路中的典型功率流框图

上图显示了用(yòng)于電(diàn)源的電(diàn)子電(diàn)路的典型功率流。電(diàn)子電(diàn)路需要1.8V至12V的電(diàn)压。1.2V，1.8V，3.3V，5V和12V是最常用(yòng)的電(diàn)压。 

在第一阶段，将230VAC / 110VAC的输入AC電(diàn)压转换為(wèi)6-12V范围内的隔离DC電(diàn)压。第二阶段采用(yòng)降压开关稳压器，它将6-12V转换為(wèi)5V或3.3V。此外，使用(yòng)LDO（低压差稳压器）将3.3V转换為(wèi)1.8V或1.2V。

在开关電(diàn)源（SMPS –开关電(diàn)源）问世之前，铁芯变压器用(yòng)于将230VAC / 110VAC高压转换為(wèi)12VAC。进一步通过二极管桥式整流器将其整流為(wèi)最大约12 x 1.4 = 16.8 VDC的DC電(diàn)压。線(xiàn)性稳压器用(yòng)于将電(diàn)压降低到所需水平。这种電(diàn)路的缺点是功率效率低（低于80％），热损耗高，PCB占用(yòng)面积大以及功率纹波差。开关電(diàn)源的使用(yòng)提高了将電(diàn)压转换為(wèi)较低水平的效率，减少了電(diàn)源的PCB占位面积（尺寸非常小(xiǎo)巧，轻巧），并减少了纹波。

在線(xiàn)性稳压器中，由于较高的压降電(diàn)压，以前会损失大量功率。例如，考虑線(xiàn)性稳压器LM7805。LM7805（5V）通常具有(yǒu)大约7.5V的压降電(diàn)压，要求输入和输出電(diàn)压之间的最小(xiǎo)差值约為(wèi)2.5V。因此，对于一个1A的稳压器，在7.5V输入时，稳压器的功耗為(wèi)2.5V x 1A = 2.5W。使用(yòng)低压差稳压器LM1117-5.0时，压差電(diàn)压為(wèi)6.2V，要求输入的输入電(diàn)压為(wèi)Vout + 1.2V。对于关键应用(yòng)，可(kě)以使用(yòng)开关稳压器和LDO的组合来提高效率。例如，从第一阶段开始，如果有(yǒu)7.5伏可(kě)用(yòng)，则该電(diàn)压将通过降压转换器降至3.3V，然后使用(yòng)線(xiàn)性稳压器LM1117-1.8降至1.8V。

PCB電(diàn)源的设计注意事项

设计電(diàn)源时，不能(néng)过分(fēn)强调布局合理(lǐ)的PCB的重要性。此外，设计人员必须了解電(diàn)源操作的重要性才能(néng)使这项工作取得成功。 

对于電(diàn)源设计，设计人员需要执行良好的PCB布局并规划有(yǒu)效的配電(diàn)网络。此外，设计人员还需要确保将嘈杂的数字電(diàn)路電(diàn)源与关键的模拟電(diàn)路電(diàn)源和電(diàn)路分(fēn)开。下面讨论一些要考虑的重要事项：

1.选择合适的PCB電(diàn)源稳压器

稳压電(diàn)路板

通常，设计人员在选择電(diàn)源稳压器时有(yǒu)两种选择，即線(xiàn)性稳压器和开关模式稳压器。線(xiàn)性稳压器提供低噪声输出，但具有(yǒu)较高的散热量，因此需要冷却系统。开关模式调节器在很(hěn)宽的電(diàn)流范围内都是高效的，但是开关噪声会引起尖峰响应。 

甲線(xiàn)性模式要求的输入電(diàn)压大于所需的输出電(diàn)压更高，因為(wèi)将有(yǒu)電(diàn)压的最小(xiǎo)压差。線(xiàn)性稳压器将具有(yǒu)相当大的功率损耗和散热，这会使線(xiàn)性稳压器的效率降低。如果您正在考虑将線(xiàn)性稳压器用(yòng)于PCB设计，则必须考虑低压差的稳压器，并且必须在进行制造之前进行热分(fēn)析。除此之外，線(xiàn)性模式稳压器简单，便宜，并提供异常无噪声的電(diàn)压输出。

所述开关调节器通过在電(diàn)感器暂时存储能(néng)量，然后在不同的切换时间不同的電(diàn)压释放该能(néng)量一个電(diàn)压转换成另一种。在这种電(diàn)源中，使用(yòng)了快速开关MOSFET。这些高效调节器的输出可(kě)通过更改脉冲宽度调制（PWM）的占空比进行调节。效率取决于電(diàn)路的散热，在这种情况下效率很(hěn)低。 

开关稳压器的PWM开关会在输出中引起噪声或纹波。开关電(diàn)流会导致其他(tā)信号中的噪声串扰。因此，开关電(diàn)源需要与关键信号隔离。

开关稳压器使用(yòng)MOSFET技术，因此很(hěn)明显，这些稳压器会发出EMI（電(diàn)磁干扰）噪声。我们无法完全消除任何電(diàn)路中的EMI，但可(kě)以通过减少EMI的措施（例如滤波，减少電(diàn)流环路，接地层和屏蔽）将其最小(xiǎo)化。在您的设计中加入开关模式调节器之前，应考虑電(diàn)磁兼容性（EMC）措施。 

在选择稳压器时，線(xiàn)性和开关稳压電(diàn)源是两个显而易见的选择。線(xiàn)性控制電(diàn)源较為(wèi)便宜，但效率低下，并且会散发更多(duō)热量。同时，开关稳压電(diàn)源价格昂贵，并且需要连接更多(duō)的无源元件，因此不容易发热。

2.電(diàn)源的热管理(lǐ)

電(diàn)源的性能(néng)直接取决于散热。每当電(diàn)流通过时，大多(duō)数電(diàn)子组件都会发热。散发的热量取决于组件的功率水平，特性和阻抗。如前所述，选择合适的稳压器可(kě)以减少電(diàn)路中的热耗散。开关稳压器的散热量较小(xiǎo)，因此非常高效。

電(diàn)子電(diàn)路在较低温度下更有(yǒu)效地工作。為(wèi)确保器件在环境温度下工作，设计人员应考虑适当的冷却方法。

如果设计者选择的是線(xiàn)性稳压器，则在系统允许的情况下，建议使用(yòng)散热器或其他(tā)冷却方法。风扇可(kě)以集成到设计中，以确保在设备散热很(hěn)高的情况下进行强制冷却。

整个PCB的散热可(kě)能(néng)不均匀。具有(yǒu)高额定功率的组件可(kě)能(néng)会散发大量热量，从而在其周围产生热点。可(kě)以在这些组件附近使用(yòng)散热孔，以快速将热量从该區(qū)域转移出去。

散热技术和冷却方法的结合可(kě)以创建高效的電(diàn)源设计。设计人员可(kě)以使用(yòng)传导冷却方法（例如散热器，热管，散热孔），也可(kě)以使用(yòng)对流冷却方法（例如冷却风扇，热電(diàn)冷却器等）。

3.接地层和電(diàn)源层，以提供更好的PCB電(diàn)源

接地和電(diàn)源层堆叠

接地层和電(diàn)源层是用(yòng)于電(diàn)力传输的低阻抗路径。電(diàn)源需要单独的接地层来分(fēn)配電(diàn)源，降低EMI，最小(xiǎo)化串扰并降低電(diàn)压降。電(diàn)源平面专用(yòng)于将電(diàn)源传输到PCB的所需區(qū)域。

PCB设计人员需要分(fēn)别处理(lǐ)接地网络的各个部分(fēn)。在多(duō)层PCB中，一层或多(duō)层可(kě)以专门用(yòng)于接地层和電(diàn)源层。而且，它们 可(kě)以通过在两个有(yǒu)源信号层之间放置接地层来减少干扰和串扰，从而有(yǒu)效地将信号走線(xiàn)与地面相连。

4.去耦電(diàn)容器和旁路電(diàn)容器

通用(yòng)電(diàn)源设计中的功率流

当全板上向组件分(fēn)配電(diàn)源时，不同的有(yǒu)源组件将导致接地弹跳和電(diàn)源轨中的振铃。这可(kě)能(néng)会导致组件電(diàn)源引脚附近的電(diàn)压下降。在这种情况下，设计人员在组件電(diàn)源引脚附近使用(yòng)去耦電(diàn)容和旁路電(diàn)容，以在器件電(diàn)流需求中提供短时的尖峰電(diàn)压。 

去耦背后的概念是降低電(diàn)源与地之间的阻抗。的去耦電(diàn)容充当二次電(diàn)源，提供由IC所需的電(diàn)流。并充当本地電(diàn)荷源以支持切换事件。

旁路電(diàn)容器可(kě)绕过噪声并减少電(diàn)源总線(xiàn)中的波动。它们放置在靠近器件或IC的位置，并连接在電(diàn)源和地之间，以补偿许多(duō)IC同时切换时電(diàn)源和地平面電(diàn)位的变化。 

旁路電(diàn)容器用(yòng)于抑制電(diàn)网内的系统间或系统内噪声。所有(yǒu)去耦電(diàn)容器必须靠近IC的電(diàn)源引脚连接，另一端直接连接至低阻抗接地层。為(wèi)了使这种连接的串联電(diàn)感最小(xiǎo)，需要对去耦電(diàn)容器和接地通孔进行短走線(xiàn)。

选择本地旁路電(diàn)容器时，需要考虑几个方面。这些因素包括选择正确的電(diàn)容器值，介電(diàn)材料，几何形状以及電(diàn)容器相对于IC的位置。去耦電(diàn)容器的典型值為(wèi)0.1μF陶瓷。

5. EMI滤波

EMI辐射可(kě)能(néng)来自任何进出電(diàn)源外壳的電(diàn)源線(xiàn)。PCB设计人员期望電(diàn)源将其EMI保持在其定义的频谱极限以下。因此，在電(diàn)源输入点使用(yòng)了EMI滤波器以减少传导噪声。

 EMI和EMC的7个技巧和PCB设计指南

EMI滤波器的體(tǐ)系结构使其可(kě)以阻止高频噪声。设计人员必须仔细布置滤波器電(diàn)路组件，以防止组件将能(néng)量转移到连接它们的走線(xiàn)中，这一点至关重要

6.输電(diàn)系统的频率响应

当電(diàn)源突然加载时，例如从空载到满载时，電(diàn)压输出将趋于短暂下降并恢复到正常電(diàn)压。在某些情况下，在電(diàn)压稳定到正常水平之前，输出将振荡一段时间。如果振荡超出设计极限，则必须调整输出電(diàn)容器和补偿電(diàn)容器。例如，对于LM7805，建议在输出引脚旁边放置一个0.1μF電(diàn)容器。同样，调节器的突然卸载可(kě)能(néng)会导致过冲和振荡。

為(wèi)了从電(diàn)路设计中获得更好的响应，请确保所选的组件在设计约束之内。无论電(diàn)路是交流还是直流，它们的响应都不同。交流和直流電(diàn)路应分(fēn)开考虑。

7.電(diàn)源完整性（PI）

设计人员应确保電(diàn)源设计的電(diàn)源完整性。電(diàn)源完整性只是传递到電(diàn)路的電(diàn)源质量。这是功率从系统到系统内负载的传输效率的度量，它确保為(wèi)所有(yǒu)電(diàn)路和设备提供适当的功率，从而实现所需的電(diàn)路性能(néng)。 

噪声较小(xiǎo)的電(diàn)源可(kě)确保更高的電(diàn)源完整性。電(diàn)源完整性设计只不过是管理(lǐ)電(diàn)源噪声。 有(yǒu)一些仿真工具可(kě)帮助估算電(diàn)路中的電(diàn)能(néng)质量。此类工具有(yǒu)助于估算電(diàn)压降，建议使用(yòng)去耦電(diàn)容器，还可(kě)以识别電(diàn)路中大電(diàn)流的热点。

良好的電(diàn)源是電(diàn)子设备准确运行的关键。如我们所见，PCB设计人员在考虑電(diàn)源设计时有(yǒu)多(duō)种选择。在这些考虑因素中，选择稳压器，電(diàn)容器和EMI滤波非常重要。同样，在设计電(diàn)源系统时也应考虑热效应和负载响应。

同时，请遵循電(diàn)源IC数据表中提到的建议。迹線(xiàn)的厚度和元件的放置在電(diàn)源设计中起着至关重要的作用(yòng)。