Altium Designer 中的 SMPS PCB 布局指南

2021-07-14

Altium Designer 中的 SMPS PCB 布局指南

許多電力電子和嵌入式系統都需要定制穩壓器電路。照明板、激光二極管驅動(dòng)器、許多模擬系統和其他噪聲敏感系統需要低噪聲功率調節，而一些 COTS 組件根本無(wú)法滿(mǎn)足應用要求。這在需要在高電壓/高電流下精確輸出且幾乎沒(méi)有下垂的電力系統中尤其如此（例如，電動(dòng)汽車(chē)）。這些系統使用帶有開(kāi)關(guān)穩壓器和標準化拓撲的 SMPS 電源。

正確使用 SMPS 布局需要最好的電路設計工具集，以及直接從原理圖中獲取數據的 PCB 編輯器。當您還可以在原理圖編輯器中訪(fǎng)問(wèn)仿真功能時(shí)，您可以在完成布局之前快速驗證您的設計。Altium Designer 在單個(gè)應用程序中為您提供所有這些功能以及更多功能。以下是一些 SMPS PCB 布局指南，可幫助您在 Altium Designer 中構建最佳電源。

一個(gè)統一的 PCB 設計包，將電路設計功能與強大的 PCB 編輯器和仿真功能集成在一起。

簡(jiǎn)單的電源易于設計，但無(wú)法滿(mǎn)足許多電力電子或嵌入式系統的性能要求?；痉€壓器無(wú)法為行業(yè)標準應用提供所需的電源效率、抗噪性和低紋波。許多 IC 旨在提供所需的低噪聲功率輸出，但許多高電壓或高電流板需要定制設計的開(kāi)關(guān)穩壓器。

構建定制穩壓器首先要選擇合適的電源拓撲。您的拓撲結構將決定您是否可以提高或降低輸出電壓，以及您的系統中是否有一些電流隔離。您可以更進(jìn)一步，包括一些額外的穩壓器電路，以適應輸入電平的變化，例如在使用電池供電系統時(shí)發(fā)生的情況。讓我們看看各種 SMPS PCB 布局指南，以及如何使用正確的 PCB 設計軟件成功設計電源。

選擇正確的開(kāi)關(guān)穩壓器拓撲

三種標準 DC-DC 開(kāi)關(guān)轉換器拓撲結構是升壓、降壓和降壓-升壓（也稱(chēng)為反激式）。與非穩壓電源或線(xiàn)性穩壓器相比，這些中的每一個(gè)都具有主要優(yōu)勢。開(kāi)關(guān)穩壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是它們具有更高的效率和通過(guò) PWM 信號控制輸出電壓的能力。下表提供了各種穩壓器拓撲的比較。

正向轉換器和反激轉換器有時(shí)會(huì )互換使用，但它們是不同的拓撲結構。這兩種類(lèi)型的穩壓器都在輸出級使用變壓器進(jìn)行電流隔離，并且可以通過(guò)改變用于開(kāi)關(guān)的 PWM 流的占空比來(lái)調整輸出電壓。正向轉換器解決了變壓器磁芯飽和以及反激式轉換器變壓器磁芯中產(chǎn)生的遲滯的附加問(wèn)題。正向轉換器在輸出側還包括一個(gè)額外的二極管和電感器，它使用三繞組變壓器而不是兩繞組變壓器。

構建您的穩壓器拓撲 最佳原理圖設計工具

無(wú)論您選擇為下一個(gè)設計構建哪種穩壓器拓撲，您都需要一套強大的原理圖設計工具來(lái)創(chuàng )建您的電路。您需要訪(fǎng)問(wèn)完整的經(jīng)過(guò)驗證的組件庫，這些組件可以直接導入到基于 SPICE 的仿真中。當您使用在單個(gè)平臺中統一電路設計和仿真功能的設計工具時(shí)，您可以為任何應用創(chuàng )建強大的電源。

在構建新的開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)，您需要使用最好的原理圖編輯器來(lái)設計和仿真新設備的所有方面。 

在開(kāi)關(guān)穩壓器中，您的開(kāi)關(guān)頻率將決定輸出的效率和紋波。了解有關(guān)為您的開(kāi)關(guān)穩壓器選擇正確頻率的更多信息。

除非您構建隔離電源，否則傳導 EMI 可以傳播到電源電路的輸出。 

使用 Altium Designer 中的分層多通道設計工具進(jìn)行放大器設計示例。

開(kāi)始您的 SMPS PCB 布局

設計 SMPS 電路后，您需要將原理圖捕獲為初始布局并開(kāi)始排列組件。設計低 EMI 和穩定功率是布局的關(guān)鍵方面，因為您希望功率輸出盡可能保持穩定。在高功率電路中，熱管理也可能是一個(gè)挑戰。關(guān)鍵組件上的散熱器和風(fēng)扇對于將組件溫度保持在安全范圍內很重要。

讓您的組件保持涼爽、穩定且無(wú)噪音

一旦組件開(kāi)始切換，您的布局是不同電路塊之間串擾和電源調節問(wèn)題的主要決定因素。您的 PDN 應始終設計為低阻抗以抑制瞬變。您應該始終嘗試放置去耦元件和其他無(wú)源元件，以使電路具有最小的環(huán)路電感。 

開(kāi)關(guān)電源在高電流下運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生明顯的噪聲，這些噪聲會(huì )在下游電路中作為噪聲尖峰接收到。如果噪聲成為通過(guò)一致性測試的問(wèn)題，您需要從電路的輸入和輸出中過(guò)濾盡可能多的噪聲。這將大大有助于確保您的功率輸出在到達負載組件后保持穩定。這些要點(diǎn)對于抑制噪聲和確保電路板上的穩定配電大有幫助。

電源在運行過(guò)程中會(huì )變得非常熱，您需要采取一些措施來(lái)散發(fā) SMPS 電路的熱量。這可以像在重要組件上放置風(fēng)扇和散熱器一樣簡(jiǎn)單。確保在遵循電源系統行業(yè)標準（特別是IPC-2152和IPC-2221 ）的同時(shí)，在高電流板中選擇更重的銅。使用正確的設計應用程序，您可以將這些要求定義為設計規則，并且您的 ECAD 應用程序將在您創(chuàng )建 PCB 布局時(shí)根據這些規則自動(dòng)檢查您的設計。

原理圖捕獲是構建設計和開(kāi)始新 PCB 布局的第一步。 

一旦負載組件開(kāi)始切換，您的配電網(wǎng)絡(luò )和組件選擇就會(huì )影響電源系統中的 SSN 和地彈。 

您的布局將決定熱量如何在電源板周?chē)鷤鬏斠约澳欠窨梢詮慕M件中散發(fā)足夠的熱量。 

在 Altium Designer 中的 SMPS PCB 布局中使用覆銅。

用于 SMPS PCB 布局的最佳 ECAD 軟件

大多數設計程序強制您使用單獨的原理圖編輯器、路由器和模擬器來(lái)生產(chǎn)單個(gè)產(chǎn)品。這會(huì )導致工作流程效率低下，甚至迫使您使用 3rd 方設計工具來(lái)完成新設計。您需要在統一的設計包中創(chuàng )建下一個(gè) SMPS 電路板，而不是在這種分散的環(huán)境中工作。

當您使用統一設計軟件時(shí)，您將可以訪(fǎng)問(wèn)在單個(gè)應用程序中創(chuàng )建新產(chǎn)品所需的一切。這是您可以在 Altium Designer 中找到的環(huán)境類(lèi)型。您需要的一切都在一個(gè)應用程序中，讓您可以輕松地從概念到產(chǎn)品。

在 Altium Designer 中設計您的下一個(gè) SMPS PCB 布局

Altium Designer 是唯一一款包含 SMPS 設計所需一切的 PCB 設計和布局應用程序。您可以使用功能強大的原理圖編輯器設計和集成 SMPS 電路，并且可以在同一程序中將原理圖捕獲為初始電路板布局。您將可以使用布局前和布局后模擬工具，并且可以快速為制造商準備可交付成果。沒(méi)有其他 PCB 設計應用程序可以如此輕松地通過(guò)單一程序將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

在 Altium Designer 中設計 SMPS 電路、放置元件和布線(xiàn)是很容易的任務(wù)。在您創(chuàng )建電路板時(shí)，Altium Designer 中的規則驅動(dòng)設計環(huán)境會(huì )根據您的設計規則立即檢查您的 SMPS PCB 布局。 

當您設計電路時(shí)，Altium Designer 中強大的原理圖編輯器為您提供查找經(jīng)過(guò)驗證的組件模型和使用基于 SPICE 的強大仿真引擎仿真電路所需的一切。 

所有 Altium Designer 用戶(hù)都可以通過(guò) Altium 365 平臺存儲和共享他們的 SMPS PCB 布局設計。如果您在設計團隊工作，Altium 365 可幫助您的團隊成員在安全的云環(huán)境中保持工作效率并共享設計數據。 

Altium Designer 中 SMPS PCB 布局的 3D 視圖。

如果您從未在集成設計環(huán)境中工作過(guò)，Altium 將為您提供開(kāi)始和成功設計所需的資源。您將可以訪(fǎng)問(wèn) AltiumLive 論壇、與行業(yè)專(zhuān)家的網(wǎng)絡(luò )研討會(huì )、包含大量設計技巧的龐大知識庫和設計教程。沒(méi)有其他 PCB 設計軟件公司會(huì )為您的成功投資。