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PCB電源設(shè)計(jì)的7個(gè)注意事項(xiàng)

發(fā)布人:電子資料庫(kù) 時(shí)間:2022-08-17 來(lái)源:工程師 發(fā)布文章
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您有沒(méi)有想過(guò)電源是如何在復(fù)雜的 PCB 內(nèi)傳輸?shù)??是的,?duì)于 PCB 設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)一個(gè)為每個(gè) PCB 組件(IC、****、電容器等)提供所需功率的電源是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作,因?yàn)槊總€(gè)這些組件的功率要求各不相同。只有完美的電源設(shè)計(jì)才能幫助克服這一挑戰(zhàn)。

隨著電路設(shè)計(jì)密度和復(fù)雜度的增加,電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也被放大。PCB 設(shè)計(jì)人員為 PCB 電源設(shè)計(jì)和布局提供了多種可能性。盡管PCB電源設(shè)計(jì)多種多樣,但設(shè)計(jì)人員必須遵循一定的規(guī)則并處理與之相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題。

在電源設(shè)計(jì)中要處理的一些常見(jiàn)問(wèn)題是,電磁干擾,走線設(shè)計(jì)處理高電流,減少電流回路,組件的選擇, 和遵循數(shù)據(jù)表的布局建議.

在本文中,我們將涵蓋以下主題:

  • PCB電源設(shè)計(jì)

  • PCB電源的設(shè)計(jì)考慮為 PCB 電源選擇合適的穩(wěn)壓器電源的熱管理接地層和電源層可提供更好的 PCB 電源去耦電容和旁路電容EMI濾波電力輸送系統(tǒng)的頻率響應(yīng)電源完整性 (PI)

PCB電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)的目的不僅僅是將電源從交流電轉(zhuǎn)換為直流電。電源的作用是以正確的電壓和電流為電路元件提供電力。未來(lái)電壓低至 1.8V 和 1.2V 的器件將很常見(jiàn)。低電壓帶來(lái)對(duì)電源噪聲的低耐受性。

電源還需要電流限制來(lái)限制最大電流。因此,電源的重要參數(shù)是電壓、最大電流、電壓紋波和最大電流時(shí)的熱損失。

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電子電路中的典型功率流框圖

用于供電的電子電路的典型功率流向如上圖所示。電子電路需要 1.8V 至 12V 范圍內(nèi)的電壓。1.2V、1.8V、3.3V、5V和12V是最常用的電壓。

在第一階段,230VAC/110VAC 的輸入交流電壓轉(zhuǎn)換為 6-12V 范圍內(nèi)的隔離直流電壓。第二級(jí)采用降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,將 6-12V 轉(zhuǎn)換為 5V 或 3.3V。此外,使用 LDO(低壓差穩(wěn)壓器)將 3.3V 轉(zhuǎn)換為 1.8V 或 1.2V。

在開(kāi)關(guān)電源(SMPS – 開(kāi)關(guān)電源)出現(xiàn)之前,鐵芯變壓器用于將 230VAC/110VAC 的高壓轉(zhuǎn)換為 12VAC。這通過(guò)二極管橋式整流器進(jìn)一步整流為直流電壓,最大值約為 12 x 1.4 = 16.8 VDC。線性穩(wěn)壓器用于將電壓降低到所需的水平。這種電路的缺點(diǎn)是電源效率差(低于 80%)、熱損失高、PCB 占用空間大、電源紋波差。開(kāi)關(guān)電源的使用提高了將電壓轉(zhuǎn)換為較低電平的效率,減少了電源的 PCB 占用空間(尺寸非常小且重量輕),并減少了紋波。

在線性穩(wěn)壓器中,由于較高的壓降,以前會(huì)損失大量功率。例如,考慮線性穩(wěn)壓器 LM7805。LM7805 (5V) 通常具有大約 7.5V 的壓降,要求輸入和輸出電壓之間至少有大約 2.5V 的差值。因此,對(duì)于 1A 穩(wěn)壓器,7.5V 輸入時(shí)穩(wěn)壓器的功率損耗為 2.5V x 1A = 2.5W。使用低壓差穩(wěn)壓器 LM1117-5.0,壓差為 6.2V,要求輸入端的輸入電壓為 Vout +1.2V。對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO 的組合用于提高效率。例如,從第一階段開(kāi)始,如果 7.5 伏可用,它將使用降壓轉(zhuǎn)換器降至 3.3V,然后使用線性穩(wěn)壓器 LM1117-1.8 降至 1.8V。

PCB電源的設(shè)計(jì)考慮

在設(shè)計(jì)電源時(shí),布局良好的 PCB 的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。此外,設(shè)計(jì)人員必須了解電源操作的重要性,才能使工作取得成功。

對(duì)于電源設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)師需要執(zhí)行好PCB布局并計(jì)劃一個(gè)有效的配電網(wǎng)絡(luò)。此外,設(shè)計(jì)人員需要確保嘈雜的數(shù)字電路電源與關(guān)鍵的模擬電路電源和電路分開(kāi)。需要考慮的一些重要事項(xiàng)是下面討論:

1.為PCB電源選擇合適的穩(wěn)壓器
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穩(wěn)壓電路板

通常,設(shè)計(jì)人員在選擇電源穩(wěn)壓器時(shí)有兩種選擇,線性穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器. 線性穩(wěn)壓器提供低噪聲輸出,但它具有更高的散熱,這需要冷卻系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器在很寬的電流范圍內(nèi)效率很高,但開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)尖峰。

一種線性模式需要輸入電壓高于所需的輸出電壓,因?yàn)闀?huì)有最小的電壓降。線性穩(wěn)壓器會(huì)有相當(dāng)大的功率損耗和散熱,這會(huì)降低線性穩(wěn)壓器的效率。如果您正在考慮為您的設(shè)備使用線性穩(wěn)壓器印刷電路板設(shè)計(jì)那么您必須考慮具有低壓降的穩(wěn)壓器,并且必須在制造之前進(jìn)行熱分析。除此之外,線性模式穩(wěn)壓器簡(jiǎn)單、便宜,并提供異常無(wú)噪聲的電壓輸出。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通過(guò)將能量暫時(shí)存儲(chǔ)在電感器中,然后在不同的開(kāi)關(guān)時(shí)間以不同的電壓釋放該能量,將一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓。在此類電源中,使用快速開(kāi)關(guān) MOSFET。這些高效穩(wěn)壓器的輸出可以通過(guò)改變脈寬調(diào)制 (PWM) 的占空比進(jìn)行調(diào)整。效率取決于電路的散熱,在這種情況下散熱很低。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的 PWM 開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致輸出中出現(xiàn)噪聲或紋波。開(kāi)關(guān)電流會(huì)導(dǎo)致其他信號(hào)中的噪聲串?dāng)_。因此,開(kāi)關(guān)電源需要與關(guān)鍵信號(hào)隔離。

開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器使用 MOSFET 技術(shù),因此很明顯這些穩(wěn)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,但我們可以通過(guò)降低 EMI 的措施(例如濾波、減少電流回路、接地層和屏蔽)來(lái)將其最小化。在您的設(shè)計(jì)中加入開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器之前,應(yīng)考慮電磁兼容性 (EMC) 措施。

在選擇穩(wěn)壓器時(shí),線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是兩個(gè)明顯的選擇。線性控制電源更便宜,但效率低下且散熱更多。同時(shí),開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源價(jià)格較高,需要連接更多的無(wú)源元件,不易發(fā)熱。

2. 電源熱管理
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電源的性能直接取決于散熱。大多數(shù)電子元件只要有電流通過(guò)就會(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(wěn)壓器可以減少電路中的散熱。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器非常高效,因?yàn)樗鼈兩l(fā)的熱量較少。

電子電路在較低溫度下更有效地運(yùn)行。為確保設(shè)備在環(huán)境溫度下工作,設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)睦鋮s方法。

如果設(shè)計(jì)人員選擇的是線性穩(wěn)壓器,如果系統(tǒng)允許,建議使用散熱器或其他冷卻方法。如果設(shè)備的散熱量很大,可以在設(shè)計(jì)中加入風(fēng)扇以確保強(qiáng)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,從而在其周圍形成熱點(diǎn)。可以在這些組件附近使用散熱孔,以快速將熱量從該區(qū)域帶走。

散熱技術(shù)和冷卻方法的結(jié)合可以創(chuàng)建高效的電源設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可以使用傳導(dǎo)冷卻方法(例如散熱器、熱管、熱通孔)或?qū)α骼鋮s方法(例如冷卻風(fēng)扇、熱電冷卻器等)。

3. 接地層和電源層以獲得更好的 PCB 電源
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地平面和電源平面連接疊起

接地層和電源層是用于功率傳輸?shù)牡妥杩孤窂?。電源需要單?dú)的接地層來(lái)分配電源,降低電磁干擾, 最大限度地減少串?dāng)_并減少電壓降。電源層專用于將電源傳輸?shù)?PCB 的所需區(qū)域。

PCB 設(shè)計(jì)人員需要單獨(dú)處理接地網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)部分。在多層 PCB 中,一層或多層可以專門(mén)用于接地層和電源層。還有,他們可以通過(guò)在兩個(gè)有源信號(hào)層之間放置地平面來(lái)減少干擾和串?dāng)_,從而有效地用地包圍信號(hào)走線。

4.去耦電容和旁路電容
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常見(jiàn)電源設(shè)計(jì)中的功率流

當(dāng)電源分布到整個(gè)電路板上的元件時(shí),不同的有源元件會(huì)導(dǎo)致地彈并在電源軌中振鈴。這可能會(huì)導(dǎo)致組件電源引腳附近的電壓下降。在這些情況下,設(shè)計(jì)人員在組件的電源引腳附近使用去耦和旁路電容器,以提供滿足設(shè)備電流要求的短尖峰。

去耦背后的概念是減少電源和地之間的阻抗。這去耦電容充當(dāng)輔助電源,提供 IC 所需的電流。并充當(dāng)本地電荷源以支持切換事件。

旁路電容器繞過(guò)噪聲并減少電源總線的波動(dòng)。它們更靠近設(shè)備或 IC 放置,并連接在電源和地之間,以補(bǔ)償當(dāng)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系統(tǒng)內(nèi)的系統(tǒng)間或系統(tǒng)內(nèi)噪聲電網(wǎng). 所有去耦電容必須靠近 IC 的電源引腳連接,另一端直接連接到低阻抗接地層。需要到去耦電容器和接地過(guò)孔的短走線,以最大限度地減少此連接的串聯(lián)附加電感。

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、幾何形狀和電容器相對(duì)于 IC 的位置。去耦電容的典型值為 0.1μF 陶瓷電容。

5. EMI 過(guò)濾

進(jìn)入或離開(kāi)電源外殼的任何電源線都可能產(chǎn)生 EMI 輻射。PCB 設(shè)計(jì)人員希望電源將其 EMI 水平保持在他們定義的頻譜限制以下。因此,在電源輸入點(diǎn)使用 EMI 濾波器來(lái)降低傳導(dǎo)噪聲。

閱讀更多:EMI 和 EMC 的 7 個(gè)技巧和 PCB 設(shè)計(jì)指南

EMI 濾波器的架構(gòu)允許它阻擋高頻噪聲。設(shè)計(jì)人員仔細(xì)布置濾波器電路組件以防止組件將能量傳輸?shù)竭B接它們的跡線中是至關(guān)重要的

6. 電力輸送系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

當(dāng)電源突然加載時(shí),比如從空載到滿載,電壓輸出會(huì)趨于短暫下降并恢復(fù)到正常電壓。在某些情況下,輸出會(huì)在電壓穩(wěn)定到正常之前振蕩一段時(shí)間。如果振蕩超出設(shè)計(jì)限制,則需要調(diào)整輸出電容器和補(bǔ)償電容器。例如,對(duì)于 LM7805,建議在輸出引腳旁邊放置一個(gè) 0.1μF 的電容。同樣,調(diào)節(jié)器的突然卸載可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)沖和振蕩。

為了從電路設(shè)計(jì)中獲得更好的響應(yīng),請(qǐng)確保所選組件在設(shè)計(jì)約束范圍內(nèi)。無(wú)論電路是交流還是直流,它們都有不同的響應(yīng)。交流和直流電路應(yīng)分開(kāi)考慮。

7. 電源完整性 (PI)

設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保電源設(shè)計(jì)的電源完整性。電源完整性只是傳輸?shù)诫娐返碾娫促|(zhì)量。它是衡量從電源傳輸功率的有效性的方法源到系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)載,確保所有電路和設(shè)備都提供適當(dāng)?shù)碾娫?,從而?shí)現(xiàn)所需的電路性能.

噪聲較小的電源可以確保更高的電源完整性。電源完整性設(shè)計(jì)只不過(guò)是管理電源噪聲。有一些仿真工具可以幫助估計(jì)電路中的電源質(zhì)量。此類工具有助于估計(jì)電壓降,推薦去耦電容的放置,也可以識(shí)別電路中高電流的熱點(diǎn)。

另請(qǐng)閱讀我們文章中的電路仿真電路仿真如何工作?

結(jié)論

良好的電源是電子設(shè)備準(zhǔn)確運(yùn)行的關(guān)鍵。正如我們所見(jiàn),PCB 設(shè)計(jì)人員在考慮電源設(shè)計(jì)時(shí)有多種選擇。在這些考慮因素中,穩(wěn)壓器、電容器和 EMI 濾波的選擇很重要。同樣,在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)也應(yīng)考慮熱效應(yīng)和負(fù)載響應(yīng)。

同時(shí),請(qǐng)遵循電源 IC 數(shù)據(jù)表中提到的建議。走線厚度和元件放置在電源設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。


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