嵌入式電(diàn)源的布局指南

2021-06-16

嵌入式電(diàn)源的布局指南

串扰不仅会扼杀派对气氛，还会破坏電(diàn)子系统的功能(néng)。大多(duō)数 PCB 设计人员更担心信号走線(xiàn)之间的串扰，但您的電(diàn)源和電(diàn)源组件可(kě)能(néng)会产生更大的影响。值得庆幸的是，一些简单的设计选择和布局指南可(kě)以保持 PCB 中的電(diàn)源输出和信号清洁。

信号完整性和電(diàn)源完整性

这两个术语有(yǒu)时被设计师和工程师互换使用(yòng)，新(xīn)手 PCB 设计师可(kě)能(néng)会将 PCB 设计的这两个方面视為(wèi)不相关的问题。不幸的是，PCB 并不是那么简单，以至于可(kě)以孤立地考虑電(diàn)源完整性和信号完整性。

实际上，一些重要的信号问题实际上源于電(diàn)源完整性问题。随着数字系统中晶體(tǐ)管密度的增加，電(diàn)源完整性容差随着时间的推移变得越来越严格（非常感謝(xiè)，戈登·摩尔）。单个晶體(tǐ)管的尺寸已经缩小(xiǎo)，并且具有(yǒu)较大输出波动或纹波電(diàn)压的旧電(diàn)源可(kě)能(néng)会由于非自愿切换而对数字信号造成严重破坏。

具有(yǒu)敏感元件的现代 PCB 上的電(diàn)源轨应仅使用(yòng)输出功率总变化為(wèi) 1% 至 5% 的電(diàn)源供電(diàn)。对于低電(diàn)流電(diàn)路或信号完整性是主要问题的任何電(diàn)路板，如果可(kě)能(néng)，尝试将功率输出变化降低到更低水平是一个好主意。您的信号走線(xiàn)和電(diàn)源/電(diàn)源轨可(kě)能(néng)存在串扰，从而加剧電(diàn)源完整性问题。

但您可(kě)能(néng)想知道，直流電(diàn)源如何在交流信号迹線(xiàn)中引起串扰？電(diàn)源输出中的交流分(fēn)量会在附近的走線(xiàn)中感应出電(diàn)流。在 PCB 设计阶段，一个好的仿真工具可(kě)以帮助您在将電(diàn)路板送去生产之前诊断走線(xiàn)和電(diàn)源轨中的串扰问题。如果 AC 信号走線(xiàn)是干扰走線(xiàn)，由于寄生電(diàn)感和電(diàn)容，它会导致功率波动。

平板電(diàn)脑上的蓝色听诊器

您的電(diàn)源是串扰的干扰源

如果您曾经将電(diàn)源的输出连接到示波器，您会发现電(diàn)源输出中存在多(duō)个交流组件。如果您使用(yòng)的是交流适配器，则全波整流器会输出带有(yǒu)一些波动的直流信号。整流器中的電(diàn)容器在单次振荡期间充電(diàn)和放電(diàn)两次。如果您查看频域中的信号，如果您的适配器插入墙上插座，您将看到一个接近 120 Hz（如果您在欧洲為(wèi) 100 Hz）的频段。

开关電(diàn)源也会产生具有(yǒu)纹波電(diàn)压的電(diàn)力。如果您查看输出功率信号的功率谱，您会看到由于電(diàn)源中的开关动作而产生的另一个频率分(fēn)量。这两个组件在示波器上都很(hěn)明显。您还可(kě)以使用(yòng)良好的信号模拟器包来模拟 PCB 中这些组件的幅度。

这些组件会在信号走線(xiàn)中引起串扰，反之亦然。虽然您始终可(kě)以在敏感元件甚至是走線(xiàn)组上使用(yòng)金属罐屏蔽，但使用(yòng)正确的布局策略可(kě)以防止在存在噪声功率元件的情况下需要敏感屏蔽。

用(yòng)于降低噪声的 PCB 布局计划

当您的直流電(diàn)源嵌入您的電(diàn)路板时，電(diàn)源输出应靠近接收负载的设备，因為(wèi)这将有(yǒu)助于最大限度地减少 IR 损耗和互连阻抗。如果您的嵌入式電(diàn)源会产生大量热量，您应该尝试在電(diàn)源附近放置任何冷却风扇。冷却风扇的注意事项：这些组件还会在附近的信号走線(xiàn)中产生噪声，因此需要对敏感走線(xiàn)进行屏蔽以防止这种新(xīn)的噪声源。

如果您计划使用(yòng)多(duō)层板，直流接地或输入/输出電(diàn)源层应位于包含敏感信号的顶层组件层和包含传输敏感信号的迹線(xiàn)的内层之间。直流接地和/或電(diàn)源层充当屏蔽层，阻止内部信号走線(xiàn)免受電(diàn)源轨中的噪声和顶层上的任何電(diàn)源组件的影响。

用(yòng)示波器测量波形

将这些走線(xiàn)组分(fēn)成不同的层，可(kě)以让您专注于降低電(diàn)源层上的噪声，而不必担心会在内部信号层的敏感走線(xiàn)中引入这种噪声。明智地使用(yòng)直流電(diàn)源与其接地参考平面之间的電(diàn)容器有(yǒu)助于调节输出功率。

在内部信号层中，PCB 上正确的布線(xiàn)策略可(kě)用(yòng)于减少信号走線(xiàn)之间的串扰。将走線(xiàn)作為(wèi)差分(fēn)对布線(xiàn)可(kě)以减少对之间的串扰，但沿同一方向布線(xiàn)所有(yǒu)差分(fēn)对最适合抑制近端串扰 (NEXT)。如果多(duō)个差分(fēn)对之间的遠(yuǎn)端串扰 (FEXT) 很(hěn)重要，则更好的选择是使用(yòng)交错布線(xiàn)。在交错布線(xiàn)中，连续差分(fēn)对以相反方向布線(xiàn)。