PCB電源設計的7個(gè)注意事項

2021-04-25

PCB電源設計的7個(gè)注意事項

您是否考慮過(guò)如何在復雜的PCB中傳輸功率？是的，對于PCB設計者來(lái)說(shuō)，設計一種電源以向每個(gè)PCB組件（IC，發(fā)射器，電容器等）提供所需的電源是一項艱巨的工作，因為每個(gè)組件的電源要求都各不相同。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得到了放大。為PCB設計人員提供了PCB電源設計和布局的幾種可能性。盡管PCB電源設計多種多樣，但設計人員必須遵循某些規則并處理與之相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題。

電源設計中要處理的一些常見(jiàn)問(wèn)題包括EMI，用于處理大電流的走線(xiàn)設計，減少電流環(huán)路，選擇組件以及遵循數據表的布局 建議。

PCB電源設計

PCB電源的設計注意事項

選擇合適的PCB電源穩壓器

電源的熱管理

接地層和電源層，可提供更好的PCB電源

去耦電容器和旁路電容器

EMI濾波

輸電系統的頻率響應

電源完整性（PI）

PCB電源設計

電源設計的目的不僅僅是將電源從交流轉換為直流。電源的功能是以正確的電壓和電流向電路組件供電。將來(lái)，電壓通常低至1.8V和1.2V的器件。低壓會(huì )降低電源噪聲的容忍度。

電源還要求電流限制以限制最大電流。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下的熱損耗。 

電子電路中的典型功率流框圖

上圖顯示了用于電源的電子電路的典型功率流。電子電路需要1.8V至12V的電壓。1.2V，1.8V，3.3V，5V和12V是最常用的電壓。 

在第一階段，將230VAC / 110VAC的輸入AC電壓轉換為6-12V范圍內的隔離DC電壓。第二階段采用降壓開(kāi)關(guān)穩壓器，它將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）問(wèn)世之前，鐵芯變壓器用于將230VAC / 110VAC高壓轉換為12VAC。進(jìn)一步通過(guò)二極管橋式整流器將其整流為最大約12 x 1.4 = 16.8 VDC的DC電壓。線(xiàn)性穩壓器用于將電壓降低到所需水平。這種電路的缺點(diǎn)是功率效率低（低于80％），熱損耗高，PCB占用面積大以及功率紋波差。開(kāi)關(guān)電源的使用提高了將電壓轉換為較低水平的效率，減少了電源的PCB占位面積（尺寸非常小巧，輕巧），并減少了紋波。

在線(xiàn)性穩壓器中，由于較高的壓降電壓，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的壓降電壓，要求輸入和輸出電壓之間的最小差值約為2.5V。因此，對于一個(gè)1A的穩壓器，在7.5V輸入時(shí)，穩壓器的功耗為2.5V x 1A = 2.5W。使用低壓差穩壓器LM1117-5.0時(shí)，壓差電壓為6.2V，要求輸入的輸入電壓為Vout + 1.2V。對于關(guān)鍵應用，可以使用開(kāi)關(guān)穩壓器和LDO的組合來(lái)提高效率。例如，從第一階段開(kāi)始，如果有7.5伏可用，則該電壓將通過(guò)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。

PCB電源的設計注意事項

設計電源時(shí)，不能過(guò)分強調布局合理的PCB的重要性。此外，設計人員必須了解電源操作的重要性才能使這項工作取得成功。 

對于電源設計，設計人員需要執行良好的PCB布局并規劃有效的配電網(wǎng)絡(luò )。此外，設計人員還需要確保將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)。下面討論一些要考慮的重要事項：

1.選擇合適的PCB電源穩壓器

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，即線(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，但具有較高的散熱量，因此需要冷卻系統。開(kāi)關(guān)模式調節器在很寬的電流范圍內都是高效的，但是開(kāi)關(guān)噪聲會(huì )引起尖峰響應。 

甲線(xiàn)性模式要求的輸入電壓大于所需的輸出電壓更高，因為將有電壓的最小壓差。線(xiàn)性穩壓器將具有相當大的功率損耗和散熱，這會(huì )使線(xiàn)性穩壓器的效率降低。如果您正在考慮將線(xiàn)性穩壓器用于PCB設計，則必須考慮低壓差的穩壓器，并且必須在進(jìn)行制造之前進(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。

所述開(kāi)關(guān)調節器通過(guò)在電感器暫時(shí)存儲能量，然后在不同的切換時(shí)間不同的電壓釋放該能量一個(gè)電壓轉換成另一種。在這種電源中，使用了快速開(kāi)關(guān)MOSFET。這些高效調節器的輸出可通過(guò)更改脈沖寬度調制（PWM）的占空比進(jìn)行調節。效率取決于電路的散熱，在這種情況下效率很低。 

開(kāi)關(guān)穩壓器的PWM開(kāi)關(guān)會(huì )在輸出中引起噪聲或紋波。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)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，但可以通過(guò)減少EMI的措施（例如濾波，減少電流環(huán)路，接地層和屏蔽）將其最小化。在您的設計中加入開(kāi)關(guān)模式調節器之前，應考慮電磁兼容性（EMC）措施。 

在選擇穩壓器時(shí)，線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)穩壓電源是兩個(gè)顯而易見(jiàn)的選擇。線(xiàn)性控制電源較為便宜，但效率低下，并且會(huì )散發(fā)更多熱量。同時(shí)，開(kāi)關(guān)穩壓電源價(jià)格昂貴，并且需要連接更多的無(wú)源元件，因此不容易發(fā)熱。

2.電源的熱管理

電源的性能直接取決于散熱。每當電流通過(guò)時(shí)，大多數電子組件都會(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熱耗散。開(kāi)關(guān)穩壓器的散熱量較小，因此非常高效。

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

如果設計者選擇的是線(xiàn)性穩壓器，則在系統允許的情況下，建議使用散熱器或其他冷卻方法。風(fēng)扇可以集成到設計中，以確保在設備散熱很高的情況下進(jìn)行強制冷卻。

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)a(chǎn)生熱點(diǎn)?？梢栽谶@些組件附近使用散熱孔，以快速將熱量從該區域轉移出去。

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，散熱孔），也可以使用對流冷卻方法（例如冷卻風(fēng)扇，熱電冷卻器等）。

3.接地層和電源層，以提供更好的PCB電源

接地和電源層堆疊

接地層和電源層是用于電力傳輸的低阻抗路徑。電源需要單獨的接地層來(lái)分配電源，降低EMI，最小化串擾并降低電壓降。電源平面專(zhuān)用于將電源傳輸到PCB的所需區域。

PCB設計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。而且，它們 可以通過(guò)在兩個(gè)有源信號層之間放置接地層來(lái)減少干擾和串擾，從而有效地將信號走線(xiàn)與地面相連。

4.去耦電容器和旁路電容器

通用電源設計中的功率流

當全板上向組件分配電源時(shí)，不同的有源組件將導致接地彈跳和電源軌中的振鈴。這可能會(huì )導致組件電源引腳附近的電壓下降。在這種情況下，設計人員在組件電源引腳附近使用去耦電容和旁路電容，以在器件電流需求中提供短時(shí)的尖峰電壓。 

去耦背后的概念是降低電源與地之間的阻抗。的去耦電容充當二次電源，提供由IC所需的電流。并充當本地電荷源以支持切換事件。

旁路電容器可繞過(guò)噪聲并減少電源總線(xiàn)中的波動(dòng)。它們放置在靠近器件或IC的位置，并連接在電源和地之間，以補償許多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電網(wǎng)內的系統間或系統內噪聲。所有去耦電容器必須靠近IC的電源引腳連接，另一端直接連接至低阻抗接地層。為了使這種連接的串聯(lián)電感最小，需要對去耦電容器和接地通孔進(jìn)行短走線(xiàn)。

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，幾何形狀以及電容器相對于IC的位置。去耦電容器的典型值為0.1μF陶瓷。

5. EMI濾波

EMI輻射可能來(lái)自任何進(jìn)出電源外殼的電源線(xiàn)。PCB設計人員期望電源將其EMI保持在其定義的頻譜極限以下。因此，在電源輸入點(diǎn)使用了EMI濾波器以減少傳導噪聲。

 EMI和EMC的7個(gè)技巧和PCB設計指南

EMI濾波器的體系結構使其可以阻止高頻噪聲。設計人員必須仔細布置濾波器電路組件，以防止組件將能量轉移到連接它們的走線(xiàn)中，這一點(diǎn)至關(guān)重要

6.輸電系統的頻率響應

當電源突然加載時(shí)，例如從空載到滿(mǎn)載時(shí)，電壓輸出將趨于短暫下降并恢復到正常電壓。在某些情況下，在電壓穩定到正常水平之前，輸出將振蕩一段時(shí)間。如果振蕩超出設計極限，則必須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電容器。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，請確保所選的組件在設計約束之內。無(wú)論電路是交流還是直流，它們的響應都不同。交流和直流電路應分開(kāi)考慮。

7.電源完整性（PI）

設計人員應確保電源設計的電源完整性。電源完整性只是傳遞到電路的電源質(zhì)量。這是功率從系統到系統內負載的傳輸效率的度量，它確保為所有電路和設備提供適當的功率，從而實(shí)現所需的電路性能。 

噪聲較小的電源可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。 有一些仿真工具可幫助估算電路中的電能質(zhì)量。此類(lèi)工具有助于估算電壓降，建議使用去耦電容器，還可以識別電路中大電流的熱點(diǎn)。

良好的電源是電子設備準確運行的關(guān)鍵。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，選擇穩壓器，電容器和EMI濾波非常重要。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。跡線(xiàn)的厚度和元件的放置在電源設計中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。