分享PCB電源設(shè)計(jì)的7個(gè)注意事項(xiàng)

您是否考慮過(guò)如何在復(fù)雜的 PCB 中傳輸功率？ 是的，對(duì)于PCB設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)一個(gè)電源來(lái)為每個(gè)PCB元件（IC、發(fā)射器、電容器等）提供所需的功率是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)槊總€(gè)元件的功率要求都不同。 只有完美的電源設(shè)計(jì)才能幫助克服這一挑戰(zhàn)。

隨著電路設(shè)計(jì)密度和復(fù)雜性的增加，電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也被放大。 為PCB設(shè)計(jì)人員提供了PCB電源設(shè)計(jì)和布局的多種可能性。 盡管PCB電源設(shè)計(jì)多種多樣，但設(shè)計(jì)人員必須遵循一定的規(guī)則并處理與其相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題。

電源設(shè)計(jì)中需要解決的一些常見(jiàn)問(wèn)題包括 EMI、處理高電流的布線(xiàn)設(shè)計(jì)、減少電流環(huán)路、選擇組件以及遵循數(shù)據(jù)表中的布局建議。

PCB電源設(shè)計(jì)

• PCB電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

• 選擇合適的PCB電源調(diào)節(jié)器

• 電源熱管理

• 地平面和電源層可以提供更好的PCB供電

• 去耦電容和旁路電容

• EMI濾波

• 傳輸系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

• 電源完整性 (PI)

• PCB電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)的目的不僅僅是將電源從交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 電源的作用是以正確的電壓和電流向電路元件供電。 未來(lái)，電壓通常會(huì)低至1.8V和1.2V器件。 低電壓會(huì)降低電源噪聲的容忍度。

電源還需要限流來(lái)限制最大電流。 因此，電源的重要參數(shù)是電壓、最大電流、電壓紋波和最大電流下的熱損耗。

PCB電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)電源時(shí)，合理布局的PCB的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。 此外，設(shè)計(jì)人員必須了解電源操作的重要性，才能使這項(xiàng)工作取得成功。

對(duì)于電源設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要執(zhí)行良好的 PCB 布局并規(guī)劃有效的配電網(wǎng)絡(luò)。 此外，設(shè)計(jì)人員需要確保噪聲數(shù)字電路電源與關(guān)鍵模擬電路電源和電路分開(kāi)。 以下是需要考慮的一些重要事項(xiàng)：

1.選擇合適的PCB電源調(diào)節(jié)器

通常，設(shè)計(jì)人員在選擇電源穩(wěn)壓器時(shí)有兩種選擇，即線(xiàn)性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器。 線(xiàn)性穩(wěn)壓器提供低噪聲輸出，但散熱量高，因此需要冷卻系統(tǒng)。 開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器在很寬的電流范圍內(nèi)都很高效，但開(kāi)關(guān)噪聲可能會(huì)導(dǎo)致尖峰。

線(xiàn)性模式需要比所需輸出電壓更高的輸入電壓，因?yàn)闀?huì)有最小的電壓差。 線(xiàn)性穩(wěn)壓器會(huì)有相當(dāng)大的功率損耗和散熱，這會(huì)降低線(xiàn)性穩(wěn)壓器的效率。 如果您正在考慮使用線(xiàn)性穩(wěn)壓器進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)，則必須考慮低壓差穩(wěn)壓器并在制造前執(zhí)行熱分析。 此外，線(xiàn)性模式穩(wěn)壓器簡(jiǎn)單、便宜，并提供出色的無(wú)噪聲電壓輸出。

開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器將能量暫時(shí)存儲(chǔ)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能量，并將一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓。 該電源使用快速開(kāi)關(guān) MOSFET。 這些高效穩(wěn)壓器的輸出可以通過(guò)改變脈寬調(diào)制（PWM）的占空比來(lái)調(diào)整。 效率取決于電路的散熱，在這種情況下效率很低。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的 PWM 開(kāi)關(guān)可能會(huì)在輸出中產(chǎn)生噪聲或紋波。 開(kāi)關(guān)電流可能會(huì)導(dǎo)致其他信號(hào)中的噪聲串?dāng)_。 因此，開(kāi)關(guān)電源需要與關(guān)鍵信號(hào)隔離。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用 MOSFET 技術(shù)，因此很明顯這些穩(wěn)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，但可以通過(guò)降低 EMI 的措施（例如濾波、減少電流環(huán)路、接地層和屏蔽）將其降至最低。 在設(shè)計(jì)中添加開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器之前，應(yīng)考慮電磁兼容性 (EMC) 措施。

選擇穩(wěn)壓器時(shí)，線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)穩(wěn)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，并且散發(fā)更多熱量。 同時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源價(jià)格昂貴，需要連接較多的無(wú)源元件，不易發(fā)熱。

2、電源的熱管理

電源的性能直接取決于冷卻。 大多數(shù)電子元件在電流通過(guò)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生熱量。 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(wěn)壓器可以減少電路中的散熱。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的散熱量很小，因此效率很高。

電子電路在較低溫度下工作更有效。 為了確保器件在環(huán)境溫度下工作，設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)睦鋮s方法。

如果設(shè)計(jì)者選擇線(xiàn)性調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)允許的情況下，建議使用散熱器或其他冷卻方法。 設(shè)計(jì)中可集成風(fēng)扇，保證設(shè)備高散熱時(shí)強(qiáng)制冷卻。

整個(gè)PCB的散熱可能不均勻。 額定功率高的組件會(huì)散發(fā)大量熱量，在其周?chē)纬蔁狳c(diǎn)。 可以在這些組件附近使用散熱孔，以快速將熱量從該區(qū)域轉(zhuǎn)移出去。

冷卻技術(shù)和冷卻方法的結(jié)合可以創(chuàng)建高效的電源設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)人員可以使用傳導(dǎo)冷卻方法（例如散熱器、熱管、散熱器）或?qū)α骼鋮s方法（例如冷卻風(fēng)扇、熱電冷卻器等）。

3. 地平面和電源層，提供更好的PCB供電

接地層和電源層是用于電力傳輸?shù)牡妥杩孤窂健?電源需要一個(gè)單獨(dú)的接地層來(lái)分配功率、降低 EMI、最大限度地減少串?dāng)_并降低電壓降。 電源層專(zhuān)用于將電源傳輸?shù)?PCB 的所需區(qū)域。

PCB設(shè)計(jì)人員需要分別處理接地網(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。 此外，它們可以通過(guò)在兩個(gè)有源信號(hào)層之間放置接地層來(lái)減少干擾和串?dāng)_，從而有效地將信號(hào)路由連接到地面。

4. 去耦電容和旁路電容

一般電源設(shè)計(jì)中的功率流

當(dāng)電源分配到整個(gè)板上的組件時(shí)，不同的有源組件將導(dǎo)致電源軌中的地彈和振鈴。 這可能會(huì)導(dǎo)致組件電源引腳附近出現(xiàn)壓降。 在這種情況下，設(shè)計(jì)人員在組件電源引腳附近使用去耦電容器和旁路電容器，以提供器件電流需求的短期峰值。

去耦背后的概念是降低電源和地之間的阻抗。 去耦電容作為二次電源，提供IC所需的電流。 它還充當(dāng)本地電荷源以支持開(kāi)關(guān)事件。

旁路電容器旁路噪聲并減少電源總線(xiàn)的波動(dòng)。 它們放置在靠近設(shè)備或我的地方。