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开关电源的PCB布局指南
开关电源的PCB布局指南
电路板的组件布局。
无论电路板的功能是什么，都将需要电源来操作，这通常是由板载电源产生的。通常在电路板上设计有两种类型的电源：线性和开关模式。线性电源具有更简单的电路和较低的组件成本，可提供可靠的电源。问题在于它们也效率低下，这在需要更高功率水平的电路板中是不希望的。
为了满足大多数电路板不断增长的功率需求，将改用开关电源（SMPS）。SMPS有不同类型，可以根据电路需求将其配置为输出不同的电压和电流。开关电源的工作效率很高，但如果布局不正确，也会给电路板带来很多问题，例如电磁干扰（EMI）。为了帮助您避免这些问题，这里有一些开关电源的布局准则。
开关电源布局不正确的问题
开关电源通常是在印刷电路板上产生功率的首选方法。使用开关稳压器转换功率，SMPS将比线性电源更有效地产生电流，并且热量更少，线性电源依赖于较大的发热部件。但是，SMPS的正常开关操作可能会散发出噪声，如果控制不当，则会增加或产生以下问题：
电磁干扰：在SMPS中，在开和关状态之间切换电压会产生电磁干扰。EMI不仅会干扰电路板外部的其他电子设备，还会破坏电路板上的电路。EMI可能会使电路板的信号和电源完整性下降，从而导致间歇性问题或彻底故障。
接地弹跳：SMPS的快速开关活动会影响电路板的接地节点，使其参考接地电平弹跳高于其应有的水平。在人为的高地电平下，其他信号可能会错误切换，从而导致在这些电路中传输错误的数据。
电源纹波：电源开关的另一个问题是，它可能会形成电源纹波，从而可能在附近的电路中产生串扰。这种串扰可能会使较弱的信号过载，从而导致该电路的中断。
如我们所见，开关电源的这些潜在噪声问题可能会导致电路板出现许多电源完整性问题。为避免这些问题，重要的是要遵循良好的电源布局准则，首先要在布局工具中配置电路板。
可以为您的布局设置许多参数，包括电源和接地层上的散热。
开关电源的电路板布局参数
为了确保设计中的电源完整性，应为电源传输网络（PDN）安排清晰的电路板布局。这样，您的最终设计将最终获得一个PDN，该PDN可以为所有组件提供干净且不间断的电源，而不会产生干扰。为此，必须首先设置的PCB参数是板层配置和堆叠。
重要的是从原理图开始，该原理图在开发过程中要走得足够远，以便识别板上的所有电源。根据这些信息，您可以开始配置层堆叠，以实现板的最佳信号完整性和电源完整性。
这将意味着为最佳信号返回路径定位电源和接地层，控制阻抗路由和电源隔离。通常，您的电路板制造商会在日常配置和构建电路板时为这些决策提供帮助，并且会对您的设计要求有最好的了解。
下一个要设置的参数将是设计规则和约束。除了常规的数字布线外，电源和接地布线还将涉及许多不同的走线宽度和间距值以及铜浇注属性。尽管其中一些规则可能需要针对每个单独的网络进行控制，但是可以通过指定特定的网络类别，然后为其分配不同的电源和接地网络来控制许多规则。
先进的PCB设计工具（例如Cadence Allegro的PCB编辑器）中的设计规则和约束条件将为您提供所有这些功能，以支持PDN的布线要求。接下来，让我们看一下开关电源的一些特定放置和布线准则。
电源电路的布局，显示组件的紧密放置。
开关电源的PCB布局和布线布局指南
电源布局的第一步是正确放置组件。电源应分布在整个板上，以便它们最靠近为其供电的设备。您还需要考虑电源组件的散热，并将它们放置在可以充分冷却的位置。降低开关电源电路的EMI的关键是使这些组件尽可能靠近放置，以使走线布线更短，更直接。首先从电源的主要组件开始，例如转换器IC，再从输入电容器和电感器开始，然后是输出电容器。同样重要的是，将零件保持在电路板的同一侧，以避免在布线中使用过孔引起的阻抗。
放置好组件后，下一步就是将网络连接在一起。以下是一些可以帮助您解决问题的路由提示：
紧紧放置组件后，请使布线尽可能短且尽可能直接。较短的走线将减小电感并减少可能产生的噪声。
使用足够大的走线宽度来处理正在传导的电流。短迹线和宽迹线的组合也将有助于减少产生噪声的机会。
在路由中使用45度角或圆角。
避免在电源电路中使用过孔。
请勿通过电源电路布线其他信号走线。
电源布局的最后一部分是根据先前针对板层堆叠配置所做的决策在电源平面和接地平面中布线。以下是一些关键注意事项：
为了实现更好的噪声控制，始终最好使用实体平面，而不要使用走线布线。
确保已绘制电源接地平面，使其包含所有电源部件，以帮助进行EMI屏蔽。
将电源接地层与设计其余部分的公共接地分开。这将有助于将电源噪声与设计的其余部分隔离开。
对于必须连接到公共接地的电源接地，请确保它们仅在一个点连接，以免产生会辐射噪声的天线。
不要在电源接地平面上路由数字信号，以防止其信号返回将隔离接地用作信号返回路径。
为帮助冷却热的电源部件，请在它们下方使用散热孔将其热量散发到隔离的接地层中。
使用这些准则，可以减少开关电源可能产生的大量噪声和干扰。您可以帮助自己的另一种方法是在电路板上布置电源时使用PCB设计工具的全部功能。
Allegro PCB编辑器中的约束管理器，显示电源网络的组织。