PCB電源設計的7個注意事項

您有沒有想過電源是如何在復雜的 PCB 內(nèi)傳輸?shù)?？是的，對?PCB 設計人員來說，設計一個為每個 PCB 組件（IC、****、電容器等）提供所需功率的電源是一項具有挑戰(zhàn)性的工作，因為每個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(zhàn)。

隨著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(guī)則并處理與之相關(guān)的常見問題。

在電源設計中要處理的一些常見問題是，電磁干擾,走線設計處理高電流,減少電流回路,組件的選擇， 和遵循數(shù)據(jù)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(wěn)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(tǒng)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(zhuǎn)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。未來電壓低至 1.8V 和 1.2V 的器件將很常見。低電壓帶來對電源噪聲的低耐受性。

電源還需要電流限制來限制最大電流。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時的熱損失。

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(nèi)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(zhuǎn)換為 6-12V 范圍內(nèi)的隔離直流電壓。第二級采用降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，將 6-12V 轉(zhuǎn)換為 5V 或 3.3V。此外，使用 LDO（低壓差穩(wěn)壓器）將 3.3V 轉(zhuǎn)換為 1.8V 或 1.2V。

在開關(guān)電源（SMPS – 開關(guān)電源）出現(xiàn)之前，鐵芯變壓器用于將 230VAC/110VAC 的高壓轉(zhuǎn)換為 12VAC。這通過二極管橋式整流器進一步整流為直流電壓，最大值約為 12 x 1.4 = 16.8 VDC。線性穩(wěn)壓器用于將電壓降低到所需的水平。這種電路的缺點是電源效率差（低于 80%）、熱損失高、PCB 占用空間大、電源紋波差。開關(guān)電源的使用提高了將電壓轉(zhuǎn)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。

在線性穩(wěn)壓器中，由于較高的壓降，以前會損失大量功率。例如，考慮線性穩(wěn)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(wěn)壓器，7.5V 輸入時穩(wěn)壓器的功率損耗為 2.5V x 1A = 2.5W。使用低壓差穩(wěn)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，開關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO 的組合用于提高效率。例如，從第一階段開始，如果 7.5 伏可用，它將使用降壓轉(zhuǎn)換器降至 3.3V，然后使用線性穩(wěn)壓器 LM1117-1.8 降至 1.8V。

在設計電源時，布局良好的 PCB 的重要性怎么強調(diào)都不為過。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(zhí)行好PCB布局并計劃一個有效的配電網(wǎng)絡。此外，設計人員需要確保嘈雜的數(shù)字電路電源與關(guān)鍵的模擬電路電源和電路分開。需要考慮的一些重要事項是下面討論：

穩(wěn)壓電路板

通常，設計人員在選擇電源穩(wěn)壓器時有兩種選擇，線性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式穩(wěn)壓器. 線性穩(wěn)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(tǒng)。開關(guān)模式穩(wěn)壓器在很寬的電流范圍內(nèi)效率很高，但開關(guān)噪聲會導致響應尖峰。

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

這開關(guān)穩(wěn)壓器通過將能量暫時存儲在電感器中，然后在不同的開關(guān)時間以不同的電壓釋放該能量，將一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓。在此類電源中，使用快速開關(guān) MOSFET。這些高效穩(wěn)壓器的輸出可以通過改變脈寬調(diào)制 (PWM) 的占空比進行調(diào)整。效率取決于電路的散熱，在這種情況下散熱很低。

開關(guān)穩(wěn)壓器的 PWM 開關(guān)會導致輸出中出現(xiàn)噪聲或紋波。開關(guān)電流會導致其他信號中的噪聲串擾。因此，開關(guān)電源需要與關(guān)鍵信號隔離。

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

在選擇穩(wěn)壓器時，線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源是兩個明顯的選擇。線性控制電源更便宜，但效率低下且散熱更多。同時，開關(guān)穩(wěn)壓電源價格較高，需要連接更多的無源元件，不易發(fā)熱。

電源的性能直接取決于散熱。大多數(shù)電子元件只要有電流通過就會發(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(wěn)壓器可以減少電路中的散熱。開關(guān)穩(wěn)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?shù)睦鋮s方法。

如果設計人員選擇的是線性穩(wěn)壓器，如果系統(tǒng)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扇以確保強制冷卻。

整個 PCB 的散熱可能不均勻。具有高額定功率的組件可能會散發(fā)大量熱量，從而在其周圍形成熱點。可以在這些組件附近使用散熱孔，以快速將熱量從該區(qū)域帶走。

散熱技術(shù)和冷卻方法的結(jié)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?qū)α骼鋮s方法（例如冷卻風扇、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?shù)牡妥杩孤窂?。電源需要單獨的接地層來分配電源，降低電磁干擾, 最大限度地減少串擾并減少電壓降。電源層專用于將電源傳輸?shù)?PCB 的所需區(qū)域。

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

常見電源設計中的功率流

當電源分布到整個電路板上的元件時，不同的有源元件會導致地彈并在電源軌中振鈴。這可能會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。

旁路電容器繞過噪聲并減少電源總線的波動。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 同時切換時電源和地平面電位的變化。

旁路電容器用于抑制系統(tǒng)內(nèi)的系統(tǒng)間或系統(tǒng)內(nèi)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孔的短走線，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需要考慮幾個方面。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。

進入或離開電源外殼的任何電源線都可能產(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，在電源輸入點使用 EMI 濾波器來降低傳導噪聲。

閱讀更多：EMI 和 EMC 的 7 個技巧和 PCB 設計指南

EMI 濾波器的架構(gòu)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?shù)竭B接它們的跡線中是至關(guān)重要的

當電源突然加載時，比如從空載到滿載，電壓輸出會趨于短暫下降并恢復到正常電壓。在某些情況下，輸出會在電壓穩(wěn)定到正常之前振蕩一段時間。如果振蕩超出設計限制，則需要調(diào)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 0.1μF 的電容。同樣，調(diào)節(jié)器的突然卸載可能會導致過沖和振蕩。

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(nèi)。無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?shù)诫娐返碾娫促|(zhì)量。它是衡量從電源傳輸功率的有效性的方法源到系統(tǒng)內(nèi)的負載，確保所有電路和設備都提供適當?shù)碾娫?，從而實現(xiàn)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。

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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，PCB 設計人員在考慮電源設計時有多種選擇。在這些考慮因素中，穩(wěn)壓器、電容器和 EMI 濾波的選擇很重要。同樣，在設計電源系統(tǒng)時也應考慮熱效應和負載響應。

同時，請遵循電源 IC 數(shù)據(jù)表中提到的建議。走線厚度和元件放置在電源設計中起著至關(guān)重要的作用。