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嵌入式電源的布局指南
嵌入式電源的布局指南
串擾不僅會(huì )扼殺派對氣氛，還會(huì )破壞電子系統的功能。大多數 PCB 設計人員更擔心信號走線(xiàn)之間的串擾，但您的電源和電源組件可能會(huì )產(chǎn)生更大的影響。值得慶幸的是，一些簡(jiǎn)單的設計選擇和布局指南可以保持 PCB 中的電源輸出和信號清潔。
信號完整性和電源完整性
這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)有時(shí)被設計師和工程師互換使用，新手 PCB 設計師可能會(huì )將 PCB 設計的這兩個(gè)方面視為不相關(guān)的問(wèn)題。不幸的是，PCB 并不是那么簡(jiǎn)單，以至于可以孤立地考慮電源完整性和信號完整性。
實(shí)際上，一些重要的信號問(wèn)題實(shí)際上源于電源完整性問(wèn)題。隨著(zhù)數字系統中晶體管密度的增加，電源完整性容差隨著(zhù)時(shí)間的推移變得越來(lái)越嚴格（非常感謝，戈登·摩爾）。單個(gè)晶體管的尺寸已經(jīng)縮小，并且具有較大輸出波動(dòng)或紋波電壓的舊電源可能會(huì )由于非自愿切換而對數字信號造成嚴重破壞。
具有敏感元件的現代 PCB 上的電源軌應僅使用輸出功率總變化為 1% 至 5% 的電源供電。對于低電流電路或信號完整性是主要問(wèn)題的任何電路板，如果可能，嘗試將功率輸出變化降低到更低水平是一個(gè)好主意。您的信號走線(xiàn)和電源/電源軌可能存在串擾，從而加劇電源完整性問(wèn)題。
但您可能想知道，直流電源如何在交流信號跡線(xiàn)中引起串擾？電源輸出中的交流分量會(huì )在附近的走線(xiàn)中感應出電流。在 PCB 設計階段，一個(gè)好的仿真工具可以幫助您在將電路板送去生產(chǎn)之前診斷走線(xiàn)和電源軌中的串擾問(wèn)題。如果 AC 信號走線(xiàn)是干擾走線(xiàn)，由于寄生電感和電容，它會(huì )導致功率波動(dòng)。
平板電腦上的藍色聽(tīng)診器
您的電源是串擾的干擾源
如果您曾經(jīng)將電源的輸出連接到示波器，您會(huì )發(fā)現電源輸出中存在多個(gè)交流組件。如果您使用的是交流適配器，則全波整流器會(huì )輸出帶有一些波動(dòng)的直流信號。整流器中的電容器在單次振蕩期間充電和放電兩次。如果您查看頻域中的信號，如果您的適配器插入墻上插座，您將看到一個(gè)接近 120 Hz（如果您在歐洲為 100 Hz）的頻段。
開(kāi)關(guān)電源也會(huì )產(chǎn)生具有紋波電壓的電力。如果您查看輸出功率信號的功率譜，您會(huì )看到由于電源中的開(kāi)關(guān)動(dòng)作而產(chǎn)生的另一個(gè)頻率分量。這兩個(gè)組件在示波器上都很明顯。您還可以使用良好的信號模擬器包來(lái)模擬 PCB 中這些組件的幅度。
這些組件會(huì )在信號走線(xiàn)中引起串擾，反之亦然。雖然您始終可以在敏感元件甚至是走線(xiàn)組上使用金屬罐屏蔽，但使用正確的布局策略可以防止在存在噪聲功率元件的情況下需要敏感屏蔽。
用于降低噪聲的 PCB 布局計劃
當您的直流電源嵌入您的電路板時(shí)，電源輸出應靠近接收負載的設備，因為這將有助于最大限度地減少 IR 損耗和互連阻抗。如果您的嵌入式電源會(huì )產(chǎn)生大量熱量，您應該嘗試在電源附近放置任何冷卻風(fēng)扇。冷卻風(fēng)扇的注意事項：這些組件還會(huì )在附近的信號走線(xiàn)中產(chǎn)生噪聲，因此需要對敏感走線(xiàn)進(jìn)行屏蔽以防止這種新的噪聲源。
如果您計劃使用多層板，直流接地或輸入/輸出電源層應位于包含敏感信號的頂層組件層和包含傳輸敏感信號的跡線(xiàn)的內層之間。直流接地和/或電源層充當屏蔽層，阻止內部信號走線(xiàn)免受電源軌中的噪聲和頂層上的任何電源組件的影響。
用示波器測量波形
將這些走線(xiàn)組分成不同的層，可以讓您專(zhuān)注于降低電源層上的噪聲，而不必擔心會(huì )在內部信號層的敏感走線(xiàn)中引入這種噪聲。明智地使用直流電源與其接地參考平面之間的電容器有助于調節輸出功率。
在內部信號層中，PCB 上正確的布線(xiàn)策略可用于減少信號走線(xiàn)之間的串擾。將走線(xiàn)作為差分對布線(xiàn)可以減少對之間的串擾，但沿同一方向布線(xiàn)所有差分對最適合抑制近端串擾 (NEXT)。如果多個(gè)差分對之間的遠端串擾 (FEXT) 很重要，則更好的選擇是使用交錯布線(xiàn)。在交錯布線(xiàn)中，連續差分對以相反方向布線(xiàn)。