應用電路板的多軌電源設(shè)計——第2部分：布局技巧

簡介：工程師在不斷發(fā)展的時代所面臨的挑戰(zhàn)

電源設(shè)計可以分為三個階段：(A)設(shè)計策略和IC選擇，(b)原理圖設(shè)計、仿真和測試，以及(c)器件布局和布線。在(a)設(shè)計和(b)仿真階段投入時間可以證明設(shè)計概念的有效性，但真正測試時，需要將所有一切組合在一起，在測試臺上測試。在本文中，我們將直接跳到步驟(c)，因為目前已有大量資料介紹ADI的模擬和設(shè)計電源工具，都可免費下載，例如LTpowerPlanner?、LTpowerCad^?、LTspice^?和LTpowerPlay^?。此專題的第一部分主要介紹(a)策略。

此專題分兩部分討論，本文是第二部分，主要介紹在設(shè)計多軌電源時可能會忽略的一些問題。第一部分著重介紹策略和拓撲，本文則重點討論功率預算和電路板布局的細節(jié)。由于許多應用電路板需要多個電源軌道，所以這個分兩部分介紹的專題詳細介紹多電源電路板解決方案。目標是通過合理的器件定位和路由來實現(xiàn)高質(zhì)量的初始設(shè)計，以重點突出一些功率預算和路由技巧。

在電源設(shè)計中，精心的布局和布線對于能否實現(xiàn)出色設(shè)計至關(guān)重要，要為尺寸、精度、效率留出足夠空間，以避免在生產(chǎn)中出現(xiàn)問題。我們可以利用多年的測試經(jīng)驗，以及布局工程師具備的專業(yè)知識，最終完成電路板生產(chǎn)。

精心的設(shè)計的效率

設(shè)計從圖紙上看起來可能毫無問題（也就是說，從原理圖角度），甚至在模擬期間也沒有任何問題，但真正的測試其實是在布局、PCB制造，以及通過載入電路實施原型制作應力測試之后。這部分使用真實的設(shè)計示例，介紹一些技巧來幫助避開陷阱。我們將介紹幾個重要概念，以幫助避開設(shè)計缺陷和其他陷阱，以免未來需要重新設(shè)計和/或重新制作PCB。圖1顯示在沒有進行細致測試和余量分析的情況下，在設(shè)計進入生產(chǎn)之后會如何造成成本急速上漲。

圖1 生產(chǎn)的電路板出現(xiàn)問題時，成本可能急速上漲

功率預算

您需要注意在正常情況下按預期運行，但在全速模式或不穩(wěn)定數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)時（已排除噪聲和干擾之后）不能按預期運行的系統(tǒng)。

退出級聯(lián)階段時，要避免限流情況。圖2所示為一個典型的級聯(lián)應用：(A) 顯示由產(chǎn)生3.3 V電源，電流最大500 mA的ADP5304降壓穩(wěn)壓器(PSU1)構(gòu)成的設(shè)計。為了提高效率，設(shè)計人員應分接3.3 V電軌，而不是5 V輸入電源。3.3 V輸出被進一步切斷，以為PSU2 (LT1965)供電，這款LDO穩(wěn)壓器用于進一步將電壓降低至2.5 V，且按照板載2.5 V電路和IC的要求，將最大輸出電流限制在1.1 A。

這種系統(tǒng)存在一些很典型的隱藏問題。它在正常情況下能夠正常運行。但是，當系統(tǒng)初始化并開始全速運行時——例如，當微處理器和/或ADC開始高速采樣時——問題就出現(xiàn)了。由于沒有穩(wěn)壓器能在輸出端生成高于輸入端的電壓，在圖2a中，用于為合并電路VOUT1和VOUT2供電的VOUT1最大功率(P = V × I)為3.3 V × 0.5 A = 1.65 W。得出此數(shù)值的前提是效率為100%，但是因為供電過程中會出現(xiàn)損耗，所以實際功率要低于該數(shù)值。假定2.5 V電源軌道的最大可用功率為2.75 W。如果電路試圖獲取這么多的功率，但這種要求得不到滿足，就會在PSU1開始限流時出現(xiàn)不規(guī)律行為。電流可能由于PSU1而開始限流，更糟的是，有些控制器因過流完全關(guān)斷。

如果圖2a是在成功排除故障后實施，則可能需要更高功率的控制器。最理想的情況是使用與引腳兼容、電流更高的器件進行替換；最糟糕的情況下，則需要完全重新設(shè)計和制造PCB。如果能在概念設(shè)計階段開始之前考慮功率預算，則可以避免潛在的項目計劃延遲（參見圖1）。

在考慮這一點的情況下，先創(chuàng)建真實的功率預算，然后選擇控制器。包括您所需的所有電源電軌：2.5 V、3.3 V、5 V等。包括所有會消耗每個電軌功率的上拉電阻、離散器件和IC。使用這些值反向工作，以如圖2b所示，估算您需要的電源。使用電力樹系統(tǒng)設(shè)計工具，例如LTpowerPlanner（圖3）來輕松創(chuàng)建支持所需的功率預算的電力樹。

圖2 避開電力樹中的限流設(shè)計缺陷

圖3 LTpowerPlanner電源樹

圖4 物理接觸和電流處理能力

布局和布線

正確的布局和布線可以避免因錯誤的走線寬度、錯誤的通孔、引腳（連接器）數(shù)量不足、錯誤的接觸點大小等導致軌道被燒毀，進而引發(fā)電流限制。下面章節(jié)介紹了一些值得注意的地方，也提供幾個PCB設(shè)計技巧。

連接器和引腳接頭

將圖2中所示的示例的總電流擴展至17 A，那么設(shè)計人員必須考慮引腳的電流處理接觸能力，如圖4所示。一般來說，引腳或接觸點的載流能力受幾個因素影響，例如引腳的大?。ń佑|面積）、金屬成分等。直徑為1.1 mm1的典型過孔凸式連接引腳的電流約為3 A。如果需要17 A，那么應確保您的設(shè)計具有足夠多的引腳，足以處理總體的載流容量。這可以通過增大每個導體（或觸點）的載流能力來輕松實現(xiàn)，并保留一些安全裕度，使其載流能力超過PCB電路的總電流消耗。

在本例中，要實現(xiàn)17 A需要6個引腳（且具備1A余量）。VCC和GND一共需要12個引腳。要減少觸點個數(shù)，可以考慮使用電源插座或更大的觸點。

布線

使用可用的線上PCB工具來幫助確定布局的電流能力。一盎司電軌寬度為1.27 mm的銅質(zhì)PCB的載流能力約為3 A，電軌寬度為3 mm時，載流能力約為5 A。還要留出一些余量，所以20 A的電軌的寬度需要達到19 mm（約20 mm）（請注意，本例未考慮溫度升高帶來的影響）。從圖4可以看出，因為受PSU和系統(tǒng)電路的空間限制，無法實現(xiàn)20 mm電軌寬度。要解決這個問題，一個簡單的解決方案是使用多層PCB。將布線寬度降低到（例如）3 mm，并將這些布線復制到PCB中的所有層上，以確保（所有層中的）布線的總和能夠達到至少20 A的載流能力。

過孔和連接

圖5顯示一個過孔示例，該過孔正在連接控制器的PCB的多個電源層。如果您選擇1 A過孔，但需要2 A電流，那么電軌寬度必須能夠攜帶2 A的電流，且過孔連接也要能夠處理這個電流。圖5所示的示例至少需要兩個過孔（如果空間允許，最好是三個），用于將電流連接至電源層。這個問題經(jīng)常被忽略，一般只使用一個過孔來進行連接。連接完成后，這個過孔會作為保險絲使用，它會熔斷，并斷開與相鄰層的電源連接。設(shè)計不良的過孔后期很難改善和解決，因為熔斷的過孔很難注意到，或者被其他器件遮住。

圖5 過孔連接

請注意關(guān)于過孔和PCB電軌的下列參數(shù)：電軌寬度、過孔尺寸和電氣參數(shù)受幾個因素影響，例如PCB涂層、路由層、工作溫度等，這些因素最終會影響載流能力。以前的PCB設(shè)計技巧沒有考慮這些依賴關(guān)系，但是，設(shè)計人員在確定布局參數(shù)時，需要注意到這些。目前許多PCB電軌/過孔計算器都可在線使用。設(shè)計人員在完成原理圖設(shè)計后，最好向PCB制造商或布局工程師咨詢這些細節(jié)。

避免過熱

有許多因素會導致生熱，例如外殼、氣流等，但本節(jié)主要講述外露的焊盤。帶有外露焊盤的控制器，例如LTC3533、ADP5304、ADP2386、ADP5054等，如果正確連接至電路板，其熱阻會更低。一般來說，如果控制器IC的功率MOSFET是置于裸片之中（即是整片式的），該IC的焊盤通常外露，以便散熱。如果轉(zhuǎn)換器IC使用外部功率MOSFET運行（為控制器IC），那么控制IC通常無需要使用外露焊盤，因為它的主要制熱源（功率MOSFET）本身就在IC外部。

通常，這些外露的焊盤必須焊接到PCB接地板上才有效。根據(jù)IC的不同，也有一些例外，有些控制器會指明，它們可以連接至隔離的焊盤PCB區(qū)域，以作為散熱器進行散熱。如果不確定，請參閱有關(guān)部件的數(shù)據(jù)表。

當您將外露的焊盤連接到PCB平面或隔離區(qū)域時，(a)確保將這些孔（許多排成陣列）連接到地平面以進行散熱（熱傳遞）。對于多層PCB接地層，建議利用過孔將焊盤下方所有層上的接地層連在一起。如需更多信息，請參閱“散熱設(shè)計基礎(chǔ)”教程 MT-093、2AN136：“非隔離開關(guān)電源的PCB布局考量，”3，以及AN139：“電源布局和EMI?！?

請注意，關(guān)于外露焊盤的討論是與控制器相關(guān)。在其他IC中使用外露焊盤可能需要使用極為不同的處理方法。

結(jié)論與匯總

要設(shè)計低噪聲、不會因為電軌或過孔燒毀而影響系統(tǒng)電路的電源，從成本、效率、效率和PCB面積大小各方面來說都是一項挑戰(zhàn)。本文強調(diào)了一些設(shè)計人員可能會忽略的地方，例如使用功率預算分析來構(gòu)建電力樹，以支持所有的后端負載。

原理圖和模擬只是設(shè)計的第一步，之后是謹慎的器件定位和路由技術(shù)。過孔、電軌和載流能力都必須符合要求，并接受評估。如果接口位置存在開關(guān)噪聲，或者開關(guān)噪聲到達IC的功率引腳，那么系統(tǒng)電路會失常，且難以隔離并排除故障。

參考資料

1   61302221121連接引腳。Würth Elektronik。

2   MT-093教程：“散熱設(shè)計基礎(chǔ)。”ADI公司，2009年。

3   應用筆記136：“非隔離開關(guān)電源的PCB布局考量?！?/strong>凌力爾特，2012年6月。

4   應用筆記139：“電源布局和EMI?！?/strong>凌力爾特，2012年10月。

5   AD8045裸露焊盤連接。EngineerZone，2011年1月。

作者簡介

Ching Man是歐洲中央應用中心的應用工程師，工作地點在愛爾蘭利默里克。他在應用、硬件系統(tǒng)和ASIC設(shè)計領(lǐng)域擁有超過27年的經(jīng)驗。Ching于2007年加入ADI公司，面向歐洲市場提供高速ADC、DAC、3D飛行時間成像、LIDAR和軟件定義的無線電(SDR)等相關(guān)設(shè)計技術(shù)支持。他分別于1991年和1993年獲得英國倫敦威斯敏斯特大學的電子工程（榮譽）學士學位和VLSI和數(shù)字信號處理系統(tǒng)碩士學位。

Ching在IEEE、IET、electronica發(fā)表多篇文章并撰寫ADI指南、研討會和會議論文。此外，他于1998年獲得特許工程師資質(zhì)，目前是英國工程技術(shù)學會(IET)的成員。他目前的研究活動涉及系統(tǒng)、ASIC和算法架構(gòu)、信號處理和降噪技術(shù)，以及aquamarine光纖聲吶傳感器系統(tǒng)設(shè)計、應用和開發(fā)。