PCB電源布局指南

2021-11-19

PCB電源布局指南

設計不包含電源元件的PCB是不尋常的，但僅僅因為它是一個(gè)通用元件并不意味著(zhù)它不會(huì )給PCB設計帶來(lái)挑戰。有兩種主要的變體需要考慮，線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)模式電源。這些都對 PCB布局有挑戰。

線(xiàn)性電源

線(xiàn)性電源電路本質(zhì)上很簡(jiǎn)單，很少有組件可以直接安裝在PCB上。挑戰在于這些電路效率低下，這導致需要將大量功率損耗管理為輻射和傳導熱能。當溫度敏感元件安裝在PCB上或封閉在環(huán)境密封的外殼中以進(jìn)行保護時(shí)，這個(gè)問(wèn)題可能具有挑戰性，限制了冷卻選項。

開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源電路比線(xiàn)性電源更復雜，但效率更高。這很好，因為它減少了PCB設計人員處理熱管理的工程時(shí)間，但不幸的是，它帶來(lái)了一系列不同的問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電路可能會(huì )產(chǎn)生大量的電磁噪聲，PCB設計人員需要對其進(jìn)行管理。這種電噪聲會(huì )影響PCB上的其他電路元件，并會(huì )發(fā)射到電路板之外影響附近的設備。在極端情況下，電源電路產(chǎn)生的噪聲會(huì )通過(guò)主電源線(xiàn)傳導回，從而影響連接到同一主電源的其他設備。

另一個(gè)潛在的噪聲問(wèn)題是，開(kāi)關(guān)模式電路往往會(huì )在輸出端產(chǎn)生紋波電壓，如果管理不當，可能會(huì )通過(guò)平行或成束導線(xiàn)走線(xiàn)之間的電容或電感耦合在電路板上產(chǎn)生干擾。有一個(gè)更微妙的問(wèn)題是安裝開(kāi)關(guān)電路的PCB上可能出現接地反彈?？焖匍_(kāi)關(guān)會(huì )導致電路板中開(kāi)關(guān)組件連接到接地層的點(diǎn)的接地電位發(fā)生短暫變化。這會(huì )導致電路板地平面上出現暫時(shí)的電位差。在極端情況下，這種差異可能會(huì )導致電路板遠處的組件觀(guān)察到由這種虛假電位差引起的感知信號并對其做出反應。

PCB布局指南

接地

除非空間受到限制，否則允許電路板設計包含堅固的電源接地層以提供電磁屏蔽。如果無(wú)法將整個(gè)層投入使用，請至少考慮覆蓋電源組件下方整個(gè)區域的接地多邊形。

電源的地平面應與電路其余部分的公共地分開(kāi)，減少噪聲耦合效應。此外，這兩個(gè)地之間的連接應限制在板上的一點(diǎn)，以防止接地環(huán)路。

微量電導率

使電源電路的走線(xiàn)盡可能短而寬，以減少電阻損耗和電磁噪聲輻射。在空間允許的情況下，建議使用多邊形澆筑。這對于熱導率至關(guān)重要的線(xiàn)性電源尤其重要。

建議在電路板設計中包含使用通孔連接電源和接地平面的實(shí)心填充內層，以獲得更大效果。應避免使用通孔將電源走線(xiàn)從一層切換到另一層，因為通孔將充當阻抗增加的點(diǎn)。連接多邊形的多個(gè)通孔提供了更好的解決方案。

性能將受到銅層厚度的影響，盡管增加厚度會(huì )帶來(lái)價(jià)格溢價(jià)，因此可能需要在成本和性能之間進(jìn)行權衡。

增加導電性的另一種選擇是通過(guò)更改阻焊層在外板層上添加焊錫層。但是，您可以通過(guò)在電路板上安裝電源組件的點(diǎn)之間添加PCB匯流條或外部電線(xiàn)來(lái)獲得更好的性能。

元件放置

由于需要盡可能短的走線(xiàn)，電源組件應以較佳方向盡可能靠近在一起，以實(shí)現較短的走線(xiàn)長(cháng)度。這可以包括在電路板的兩側安裝零件以實(shí)現這一點(diǎn)。

跟蹤路由

理想情況下，承載敏感信號的走線(xiàn)應在未連接的板層上遠離電源，通過(guò)接地層與電源走線(xiàn)隔開(kāi)。信號走線(xiàn)不應與承載電源的電源走線(xiàn)平行，以防止從電源到信號的噪聲耦合。如果接近是不可避免的，信號走線(xiàn)應與電源走線(xiàn)成90度交叉，大限度地減少噪聲耦合效應。

熱管理

所有電源電路都會(huì )產(chǎn)生熱量，因此電路板設計需要包括熱管理。因此，布局的首要考慮應該是元件放置，盡可能將發(fā)熱元件與熱敏感元件分開(kāi)，同時(shí)保持較短的走線(xiàn)長(cháng)度。

下一個(gè)考慮是使用電路板的銅提供導熱性，以將熱量更均勻地分布在遠離熱點(diǎn)和允許散熱的區域。

開(kāi)關(guān)模式電源的一個(gè)潛在問(wèn)題是反饋控制電路通常包含需要與發(fā)熱開(kāi)關(guān)元件共置的溫度敏感元件。如果不加以檢查，熱點(diǎn)會(huì )導致電源不穩定并加劇散熱問(wèn)題。

概括

電源可能是PCB中大多數熱和噪聲問(wèn)題的來(lái)源，因此電路板設計必須從一開(kāi)始就考慮到這一點(diǎn)。良好的電路板設計始于良好的電源布局。