PCB電源設計的7個(gè)注意事項

您有沒(méi)有想過(guò)電源是如何在復雜的 PCB 內傳輸的？是的，對于 PCB 設計人員來(lái)說(shuō)，設計一個(gè)為每個(gè) PCB 組件（IC、****、電容器等）提供所需功率的電源是一項具有挑戰性的工作，因為每個(gè)這些組件的功率要求各不相同。只有完美的電源設計才能幫助克服這一挑戰。

隨著(zhù)電路設計密度和復雜度的增加，電源設計的復雜性也被放大。PCB 設計人員為 PCB 電源設計和布局提供了多種可能性。盡管PCB電源設計多種多樣，但設計人員必須遵循一定的規則并處理與之相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題。

在電源設計中要處理的一些常見(jiàn)問(wèn)題是，電磁干擾,走線(xiàn)設計處理高電流,減少電流回路,組件的選擇， 和遵循數據表的布局建議.

在本文中，我們將涵蓋以下主題：

• PCB電源設計

• PCB電源的設計考慮為 PCB 電源選擇合適的穩壓器電源的熱管理接地層和電源層可提供更好的 PCB 電源去耦電容和旁路電容EMI濾波電力輸送系統的頻率響應電源完整性 (PI)

電源設計的目的不僅僅是將電源從交流電轉換為直流電。電源的作用是以正確的電壓和電流為電路元件提供電力。未來(lái)電壓低至 1.8V 和 1.2V 的器件將很常見(jiàn)。低電壓帶來(lái)對電源噪聲的低耐受性。

電源還需要電流限制來(lái)限制最大電流。因此，電源的重要參數是電壓、最大電流、電壓紋波和最大電流時(shí)的熱損失。

電子電路中的典型功率流框圖

用于供電的電子電路的典型功率流向如上圖所示。電子電路需要 1.8V 至 12V 范圍內的電壓。1.2V、1.8V、3.3V、5V和12V是最常用的電壓。

在第一階段，230VAC/110VAC 的輸入交流電壓轉換為 6-12V 范圍內的隔離直流電壓。第二級采用降壓開(kāi)關(guān)穩壓器，將 6-12V 轉換為 5V 或 3.3V。此外，使用 LDO（低壓差穩壓器）將 3.3V 轉換為 1.8V 或 1.2V。

在開(kāi)關(guān)電源（SMPS – 開(kāi)關(guān)電源）出現之前，鐵芯變壓器用于將 230VAC/110VAC 的高壓轉換為 12VAC。這通過(guò)二極管橋式整流器進(jìn)一步整流為直流電壓，最大值約為 12 x 1.4 = 16.8 VDC。線(xiàn)性穩壓器用于將電壓降低到所需的水平。這種電路的缺點(diǎn)是電源效率差（低于 80%）、熱損失高、PCB 占用空間大、電源紋波差。開(kāi)關(guān)電源的使用提高了將電壓轉換為較低電平的效率，減少了電源的 PCB 占用空間（尺寸非常小且重量輕），并減少了紋波。

在線(xiàn)性穩壓器中，由于較高的壓降，以前會(huì )損失大量功率。例如，考慮線(xiàn)性穩壓器 LM7805。LM7805 (5V) 通常具有大約 7.5V 的壓降，要求輸入和輸出電壓之間至少有大約 2.5V 的差值。因此，對于 1A 穩壓器，7.5V 輸入時(shí)穩壓器的功率損耗為 2.5V x 1A = 2.5W。使用低壓差穩壓器 LM1117-5.0，壓差為 6.2V，要求輸入端的輸入電壓為 Vout +1.2V。對于關(guān)鍵應用，開(kāi)關(guān)穩壓器和 LDO 的組合用于提高效率。例如，從第一階段開(kāi)始，如果 7.5 伏可用，它將使用降壓轉換器降至 3.3V，然后使用線(xiàn)性穩壓器 LM1117-1.8 降至 1.8V。

在設計電源時(shí)，布局良好的 PCB 的重要性怎么強調都不為過(guò)。此外，設計人員必須了解電源操作的重要性，才能使工作取得成功。

對于電源設計，設計師需要執行好PCB布局并計劃一個(gè)有效的配電網(wǎng)絡(luò )。此外，設計人員需要確保嘈雜的數字電路電源與關(guān)鍵的模擬電路電源和電路分開(kāi)。需要考慮的一些重要事項是下面討論：

穩壓電路板

通常，設計人員在選擇電源穩壓器時(shí)有兩種選擇，線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)模式穩壓器. 線(xiàn)性穩壓器提供低噪聲輸出，但它具有更高的散熱，這需要冷卻系統。開(kāi)關(guān)模式穩壓器在很寬的電流范圍內效率很高，但開(kāi)關(guān)噪聲會(huì )導致響應尖峰。

一種線(xiàn)性模式需要輸入電壓高于所需的輸出電壓，因為會(huì )有最小的電壓降。線(xiàn)性穩壓器會(huì )有相當大的功率損耗和散熱，這會(huì )降低線(xiàn)性穩壓器的效率。如果您正在考慮為您的設備使用線(xiàn)性穩壓器印刷電路板設計那么您必須考慮具有低壓降的穩壓器，并且必須在制造之前進(jìn)行熱分析。除此之外，線(xiàn)性模式穩壓器簡(jiǎn)單、便宜，并提供異常無(wú)噪聲的電壓輸出。

這開(kāi)關(guān)穩壓器通過(guò)將能量暫時(shí)存儲在電感器中，然后在不同的開(kāi)關(guān)時(shí)間以不同的電壓釋放該能量，將一種電壓轉換為另一種電壓。在此類(lèi)電源中，使用快速開(kāi)關(guān) MOSFET。這些高效穩壓器的輸出可以通過(guò)改變脈寬調制 (PWM) 的占空比進(jìn)行調整。效率取決于電路的散熱，在這種情況下散熱很低。

開(kāi)關(guān)穩壓器的 PWM 開(kāi)關(guān)會(huì )導致輸出中出現噪聲或紋波。開(kāi)關(guān)電流會(huì )導致其他信號中的噪聲串擾。因此，開(kāi)關(guān)電源需要與關(guān)鍵信號隔離。

開(kāi)關(guān)模式穩壓器使用 MOSFET 技術(shù)，因此很明顯這些穩壓器會(huì )發(fā)出 EMI（電磁干擾）噪聲。我們無(wú)法完全消除任何電路中的 EMI，但我們可以通過(guò)降低 EMI 的措施（例如濾波、減少電流回路、接地層和屏蔽）來(lái)將其最小化。在您的設計中加入開(kāi)關(guān)模式穩壓器之前，應考慮電磁兼容性 (EMC) 措施。

在選擇穩壓器時(shí)，線(xiàn)性穩壓電源和開(kāi)關(guān)穩壓電源是兩個(gè)明顯的選擇。線(xiàn)性控制電源更便宜，但效率低下且散熱更多。同時(shí)，開(kāi)關(guān)穩壓電源價(jià)格較高，需要連接更多的無(wú)源元件，不易發(fā)熱。

電源的性能直接取決于散熱。大多數電子元件只要有電流通過(guò)就會(huì )發(fā)熱。散發(fā)的熱量取決于組件的功率水平、特性和阻抗。如前所述，選擇合適的穩壓器可以減少電路中的散熱。開(kāi)關(guān)穩壓器非常高效，因為它們散發(fā)的熱量較少。

電子電路在較低溫度下更有效地運行。為確保設備在環(huán)境溫度下工作，設計人員應考慮適當的冷卻方法。

如果設計人員選擇的是線(xiàn)性穩壓器，如果系統允許，建議使用散熱器或其他冷卻方法。如果設備的散熱量很大，可以在設計中加入風(fēng)扇以確保強制冷卻。

整個(gè) PCB 的散熱可能不均勻。具有高額定功率的組件可能會(huì )散發(fā)大量熱量，從而在其周?chē)纬蔁狳c(diǎn)?？梢栽谶@些組件附近使用散熱孔，以快速將熱量從該區域帶走。

散熱技術(shù)和冷卻方法的結合可以創(chuàng )建高效的電源設計。設計人員可以使用傳導冷卻方法（例如散熱器、熱管、熱通孔）或對流冷卻方法（例如冷卻風(fēng)扇、熱電冷卻器等）。

地平面和電源平面連接疊起

接地層和電源層是用于功率傳輸的低阻抗路徑。電源需要單獨的接地層來(lái)分配電源，降低電磁干擾, 最大限度地減少串擾并減少電壓降。電源層專(zhuān)用于將電源傳輸到 PCB 的所需區域。

PCB 設計人員需要單獨處理接地網(wǎng)絡(luò )的各個(gè)部分。在多層 PCB 中，一層或多層可以專(zhuān)門(mén)用于接地層和電源層。還有，他們可以通過(guò)在兩個(gè)有源信號層之間放置地平面來(lái)減少干擾和串擾，從而有效地用地包圍信號走線(xiàn)。

常見(jiàn)電源設計中的功率流

當電源分布到整個(gè)電路板上的元件時(shí)，不同的有源元件會(huì )導致地彈并在電源軌中振鈴。這可能會(huì )導致組件電源引腳附近的電壓下降。在這些情況下，設計人員在組件的電源引腳附近使用去耦和旁路電容器，以提供滿(mǎn)足設備電流要求的短尖峰。

去耦背后的概念是減少電源和地之間的阻抗。這去耦電容充當輔助電源，提供 IC 所需的電流。并充當本地電荷源以支持切換事件。

旁路電容器繞過(guò)噪聲并減少電源總線(xiàn)的波動(dòng)。它們更靠近設備或 IC 放置，并連接在電源和地之間，以補償當許多 IC 同時(shí)切換時(shí)電源和地平面電位的變化。

旁路電容器用于抑制系統內的系統間或系統內噪聲電網(wǎng). 所有去耦電容必須靠近 IC 的電源引腳連接，另一端直接連接到低阻抗接地層。需要到去耦電容器和接地過(guò)孔的短走線(xiàn)，以最大限度地減少此連接的串聯(lián)附加電感。

選擇本地旁路電容器時(shí)需要考慮幾個(gè)方面。這些因素包括選擇正確的電容器值、介電材料、幾何形狀和電容器相對于 IC 的位置。去耦電容的典型值為 0.1μF 陶瓷電容。

進(jìn)入或離開(kāi)電源外殼的任何電源線(xiàn)都可能產(chǎn)生 EMI 輻射。PCB 設計人員希望電源將其 EMI 水平保持在他們定義的頻譜限制以下。因此，在電源輸入點(diǎn)使用 EMI 濾波器來(lái)降低傳導噪聲。

閱讀更多：EMI 和 EMC 的 7 個(gè)技巧和 PCB 設計指南

EMI 濾波器的架構允許它阻擋高頻噪聲。設計人員仔細布置濾波器電路組件以防止組件將能量傳輸到連接它們的跡線(xiàn)中是至關(guān)重要的

當電源突然加載時(shí)，比如從空載到滿(mǎn)載，電壓輸出會(huì )趨于短暫下降并恢復到正常電壓。在某些情況下，輸出會(huì )在電壓穩定到正常之前振蕩一段時(shí)間。如果振蕩超出設計限制，則需要調整輸出電容器和補償電容器。例如，對于 LM7805，建議在輸出引腳旁邊放置一個(gè) 0.1μF 的電容。同樣，調節器的突然卸載可能會(huì )導致過(guò)沖和振蕩。

為了從電路設計中獲得更好的響應，請確保所選組件在設計約束范圍內。無(wú)論電路是交流還是直流，它們都有不同的響應。交流和直流電路應分開(kāi)考慮。

設計人員應確保電源設計的電源完整性。電源完整性只是傳輸到電路的電源質(zhì)量。它是衡量從電源傳輸功率的有效性的方法源到系統內的負載，確保所有電路和設備都提供適當的電源，從而實(shí)現所需的電路性能.

噪聲較小的電源可以確保更高的電源完整性。電源完整性設計只不過(guò)是管理電源噪聲。有一些仿真工具可以幫助估計電路中的電源質(zhì)量。此類(lèi)工具有助于估計電壓降，推薦去耦電容的放置，也可以識別電路中高電流的熱點(diǎn)。

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良好的電源是電子設備準確運行的關(guān)鍵。正如我們所見(jiàn)，PCB 設計人員在考慮電源設計時(shí)有多種選擇。在這些考慮因素中，穩壓器、電容器和 EMI 濾波的選擇很重要。同樣，在設計電源系統時(shí)也應考慮熱效應和負載響應。

同時(shí)，請遵循電源 IC 數據表中提到的建議。走線(xiàn)厚度和元件放置在電源設計中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。