總結(jié)PCB電源的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)電源時(shí)，不能過分強(qiáng)調(diào)布局良好的PCB的重要性。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成功。

你有沒有想過在pcb內(nèi)部如何傳遞能量來給我們的電器供電?在一塊PCB板上有太多的微小元件，設(shè)計(jì)如此復(fù)雜的電源來給每一個(gè)元件供電，需要極大的技巧、時(shí)間和精力。而且，隨著電路設(shè)計(jì)密度和復(fù)雜度的增加，設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也越來越大。只有完美的電源設(shè)計(jì)才能克服這一挑戰(zhàn)。但是，為了一個(gè)完美的設(shè)計(jì)，所有可能的問題都需要處理。一些需要解決的問題包括電磁干擾、元件選擇、減小電流回路以及處理大電流的跟蹤設(shè)計(jì)。此外，電壓、電流和熱損失等許多重要參數(shù)也需要考慮。讓我們來看看PCB電源設(shè)計(jì)的最重要的考慮因素。

對于電源設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要執(zhí)行良好的PCB布局并規(guī)劃有效的配電網(wǎng)絡(luò)。此外，設(shè)計(jì)人員需要確保將嘈雜的數(shù)字電路電源與關(guān)鍵的模擬電路電源和電路分開。下面討論一些要考慮的重要事項(xiàng)：

1.為PCB電源選擇合適的穩(wěn)壓器

通常，設(shè)計(jì)人員在選擇電源穩(wěn)壓器時(shí)有兩種選擇，即線性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)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(tǒng)。開關(guān)模式穩(wěn)壓器在很寬的電流范圍內(nèi)都非常高效，但是開關(guān)噪聲會(huì)引起尖峰響應(yīng)。

甲線性模式要求的輸入電壓大于所需的輸出電壓更高，因?yàn)閷⒂须妷旱淖钚翰?。線性穩(wěn)壓器將具有相當(dāng)大的功率損耗和散熱，這會(huì)使線性穩(wěn)壓器的效率降低。如果要為PCB設(shè)計(jì)考慮線性穩(wěn)壓器，則必須考慮具有低壓差的穩(wěn)壓器，并且必須在進(jìn)行制造之前進(jìn)行熱分析。除此之外，線性模式調(diào)節(jié)器簡單，便宜，并提供了無噪音的電壓輸出。

所述開關(guān)調(diào)節(jié)器通過在電感器暫時(shí)存儲(chǔ)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(zhuǎn)換成另一種。在這種電源中，使用了快速開關(guān)MOSFET。這些高效調(diào)節(jié)器的輸出可通過更改脈沖寬度調(diào)制(PWM)的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。效率取決于電路的散熱，在這種情況下散熱很低。

開關(guān)穩(wěn)壓器的PWM開關(guān)會(huì)在輸出中引起噪聲或紋波。開關(guān)電流會(huì)導(dǎo)致其他信號中的噪聲串?dāng)_。因此，開關(guān)電源需要與關(guān)鍵信號隔離。

開關(guān)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。我們無法完全消除任何電路中的EMI，但是可以通過減少EMI的措施(例如濾波，減少電流環(huán)路，接地層和屏蔽)來將其最小化。在您的設(shè)計(jì)中加入開關(guān)模式調(diào)節(jié)器之前，應(yīng)考慮電磁兼容性(EMC)措施。

在選擇穩(wěn)壓器時(shí)，線性和開關(guān)穩(wěn)壓電源是兩個(gè)顯而易見的選擇。線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)，開關(guān)穩(wěn)壓電源更昂貴，并且需要連接更多的無源元件，這不容易加熱。

2.電源的熱管理

電源的性能直接取決于散熱。每當(dāng)電流通過時(shí)，大多數(shù)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(wěn)壓器可以減少電路的散熱。開關(guān)穩(wěn)壓器的散熱量較小，因此效率很高。

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(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)睦鋮s方法。

如果設(shè)計(jì)者選擇的是線性穩(wěn)壓器，則在系統(tǒng)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(shè)計(jì)中，以確保在設(shè)備散熱很高的情況下進(jìn)行強(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，從而在其周圍產(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(qū)域轉(zhuǎn)移出去。

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，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，以改善PCB電源

接地層和電源層是用于電力傳輸?shù)牡妥杩孤窂?。電源需要單?dú)的接地層來分配電源，降低EMI，最小化串?dāng)_并降低電壓降。電源平面專用于將電源傳輸?shù)絇CB的所需區(qū)域。

PCB設(shè)計(jì)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，一層或多層可以專門用于接地層和電源層。而且，它們 可以通過在兩個(gè)有源信號層之間放置接地層來減少干擾和串?dāng)_，從而有效地將信號走線與地面相連。

4.去耦電容器和旁路電容器

當(dāng)全板上向組件分配電源時(shí)，不同的有源組件將導(dǎo)致接地彈跳和電源軌中的振鈴。這可能導(dǎo)致組件電源引腳附近的電壓下降。在這種情況下，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，以使器件的電流需求出現(xiàn)短暫的尖峰。

去耦背后的概念是降低電源與地之間的阻抗。去耦電容器用作次級電源，提供IC所需的電流。并充當(dāng)本地電荷源以支持切換事件。

旁路電容器可繞過噪聲并減少電源總線中的波動(dòng)。它們放置在靠近器件或IC的位置，并鏈接在電源和地之間，以補(bǔ)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(nèi)的系統(tǒng)間或系統(tǒng)內(nèi)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。需要短走線到去耦電容器和接地通孔，以最大程度地減少此連接的串聯(lián)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輻射可能來自任何進(jìn)出電源外殼的電源線。PCB設(shè)計(jì)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(dǎo)噪聲。

EMI濾波器的體系結(jié)構(gòu)使其可以阻止高頻噪聲。設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)布置濾波器電路組件，以防止組件將能量轉(zhuǎn)移到連接它們的走線中，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

6.輸電系統(tǒng)的頻率響應(yīng)當(dāng)電源突然加載時(shí)，例如從空載到滿載，電壓輸出將趨于短暫下降并恢復(fù)到正常電壓。在某些情況下，在電壓穩(wěn)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(shè)計(jì)極限，則有必要調(diào)整輸出電容器和補(bǔ)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(diào)節(jié)器突然卸載可能會(huì)導(dǎo)致過沖和振蕩。

為了從電路設(shè)計(jì)中獲得更好的響應(yīng)，請確保所選的組件在設(shè)計(jì)約束之內(nèi)。無論電路是交流還是直流，它們的響應(yīng)都不同。交流和直流電路應(yīng)分開考慮。

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。電源完整性只是傳遞到電路的電源質(zhì)量。這是對功率從系統(tǒng)到系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載的傳輸效率的度量，它確保為所有電路和設(shè)備提供適當(dāng)?shù)墓β?，從而?shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)只不過是管理電源噪聲。 有一些仿真工具可幫助估算電路的電能質(zhì)量。此類工具有助于估計(jì)電壓降，建議使用去耦電容器，還可以識(shí)別電路中大電流的熱點(diǎn)。

結(jié)論良好的電源是電子設(shè)備準(zhǔn)確運(yùn)行的關(guān)鍵。如我們所見，PCB設(shè)計(jì)人員在考慮電源設(shè)計(jì)時(shí)有多種選擇。考慮到這些因素，選擇穩(wěn)壓器，電容器和EMI濾波非常重要。類似地，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)，請遵循電源IC數(shù)據(jù)表中提到的建議。走線的厚度和元件的放置在電源設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。