应用电路板的多轨电源设计—第2部分：布局技巧 (电路板用于哪些方面)
编辑:rootadmin
{本文由家电维修技术小编收集整理资料}在电源设计中，精心的布局和布线对于能否实现出色设计至关重要，要为尺寸、精度、效率留出足够空间，以避免在生产中出现问题。我们可以利用多年的测试经验，以及布局工程师具备的专业知识，最终完成电路板生产。简介：工程师在不断发展的时代所面临的挑战电源设计可以分为三个阶段：(A)设计策略和IC选择，(b)原理图设计、*和测试，以及(c)器件布局和布线。在(a)设计和(b)*阶段投入时间可以证明设计概念的有效性，但真正测试时，需要将所有一切组合在一起，在测试台上测试。在本文中，我们将直接跳到步骤(c)，因为目前已有大量资料介绍ADI的模拟和设计电源工具，都可免费下载，例如LTpowerPlanner®、LTpowerCad®、LTspice®和LTpowerPlay®。此专题的第一部分主要介绍(a)策略。此专题分两部分讨论，本文是第二部分，主要介绍在设计多轨电源时可能会忽略的一些问题。第一部分着重介绍策略和拓扑，本文则重点讨*率预算和电路板布局的细节。由于许多应用电路板需要多个电源轨道，所以这个分两部分介绍的专题详细介绍多电源电路板解决方案。目标是通过合理的器件定位和路由来实现高质量的初始设计，以重点突出一些功率预算和路由技巧。在电源设计中，精心的布局和布线对于能否实现出色设计至关重要，要为尺寸、精度、效率留出足够空间，以避免在生产中出现问题。我们可以利用多年的测试经验，以及布局工程师具备的专业知识，最终完成电路板生产。精心的设计的效率设计从图纸上看起来可能毫无问题（也就是说，从原理图角度），甚至在模拟期间也没有任何问题，但真正的测试其实是在布局、PCB制造，以及通过载入电路实施原型制作应力测试之后。这部分使用真实的设计示例，介绍一些技巧来帮助避开陷阱。我们将介绍几个重要概念，以帮助避开设计*和其他陷阱，以免未来需要重新设计和/或重新制作PCB。图1显示在没有进行细致测试和余量分析的情况下，在设计进入生产之后会如何造成成本急速上涨。
图1.生产的电路板出现问题时，成本可能急速上涨。功率预算您需要注意在正常情况下按预期运行，但在全速模式或不稳定数据开始出现时（已排除噪声和干扰之后）不能按预期运行的*。退出级联阶段时，要避免限流情况。图2所示为一个典型的级联应用：(A)显示由产生3.3V电源，电流最大mA的ADP降压稳压器(PSU1)构成的设计。为了提高效率，设计人员应分接3.3V电轨，而不是5V输入电源。3.3V输出被进一步切断，以为PSU2(LT)供电，这款LDO稳压器用于进一步将电压降低至2.5V，且按照板载2.5V电路和IC的要求，将最大输出电流*在1.1A。这种*存在一些很典型的隐藏问题。它在正常情况下能够正常运行。但是，当*初始化并开始全速运行时——例如，当微处理器和/或ADC开始高速采样时——问题就出现了。由于没有稳压器能在输出端生成高于输入端的电压，在图2a中，用于为合并电路VOUT1和VOUT2供电的VOUT1最大功率(P=V×I)atis3.3V×0.5A=1.W.最大功率(P=V×I)为3.3V×0.5A=1.W。得出此数值的前提是效率为%，但是因为供电过程中会出现损耗，所以实际功率要低于该数值。假定2.5V电源轨道的最大可用功率为2.W。如果电路试图获取这么多的功率，但这种要求得不到满足，就会在PSU1开始限流时出现不规律行为。电流可能由于PSU1而开始限流，更糟的是，有些*因过流完全关断。如果图2a是在成功排除故障后实施，则可能需要更高功率的*。最理想的情况是使用与引脚兼容、电流更高的器件进行替换；最糟糕的情况下，则需要完全重新设计和制造PCB。如果能在概念设计阶段开始之*虑功率预算，则可以避免潜在的项目计划延迟（参见图1）。在考虑这一点的情况下，先创建真实的功率预算，然后选择*。包括您所需的所有电源电轨：2.5V、3.3V、5V等。包括所有会消耗每个电轨功率的上拉电阻、离散器件和IC。使用这些值反向工作，以如图2b所示，估算您需要的电源。使用电力树*设计工具，例如LTpowerPlanner（图3）来轻松创建支持所需的功率预算的电力树。图2.避开电力树中的限流设计*。图3.LTpowerPlanner电源树。布局和布线正确的布局和布线可以避免因错误的走线宽度、错误的通孔、引脚（连接器）数量不足、错误的接触点大小等导致轨道被烧毁，进而引发电流*。下面章节介绍了一些值得注意的地方，也提供几个PCB设计技巧。连接器和引脚接头将图2中所示的示例的总电流扩展至A，那么设计人员必须考虑引脚的电流处理接触能力，如图4所示。一般来说，引脚或接触点的载流能力受几个因素影响，例如引脚的大小（接触面积）、金属成分等。直径为1.1mm1的典型过孔凸式连接引脚的电流约为3A。如果需要A，那么应确保您的设计具有足够多的引脚，足以处理总体的载流容量。这可以通过增大每个导体（或触点）的载流能力来轻松实现，并保留一些安全裕度，使其载流能力超过PCB电路的总电流消耗。在本例中，要实现A需要6个引脚（且具备1A余量）。VCC和GND一共需要个引脚。要减少触点个数，可以考虑使用电源插座或更大的触点。布线用可用的线上PCB工具来帮助确定布局的电流能力。一盎司电轨宽度为1.mm的铜质PCB的载流能力约为3A，电轨宽度为3mm时，载流能力约为5A。还要留出一些余量，所以A的电轨的宽度需要达到mm（约mm）（请注意，本例未考虑温度升高带来的影响）。从图4可以看出，因为受PSU和*电路的空间*，无法实现mm电轨宽度。要解决这个问题，一个简单的解决方案是使用多层PCB。将布线宽度降低到（例如）3mm，并将这些布线*到PCB中的所有层上，以确保（所有层中的）布线的总和能够达到至少A的载流能力。图4.物理接触和电流处理能力。过孔和连接图5显示一个过孔示例，该过孔正在连接*的PCB的多个电源层。如果您选择1A过孔，但需要2A电流，那么电轨宽度必须能够携带2A的电流，且过孔连接也要能够处理这个电流。图5所示的示例至少需要两个过孔（如果空间允许，最好是三个），用于将电流连接至电源层。这个问题经常被忽略，一般只使用一个过孔来进行连接。连接完成后，这个过孔会作为保险丝使用，它会熔断，并断开与相邻层的电源连接。设计*的过孔后期很难改善和解决，因为熔断的过孔很难注意到，或者被其他器件遮住。图5.过孔连接。请注意关于过孔和PCB电轨的下列参数：电轨宽度、过孔尺寸和电气参数受几个因素影响，例如PCB涂层、路由层、工作温度等，这些因素最终会影响载流能力。以前的PCB设计技巧没有考虑这些依赖关系，但是，设计人员在确定布局参数时，需要注意到这些。目前许多PCB电轨/过孔计算器都可在线使用。设计人员在完成原理图设计后，最好向PCB制造商或布局工程师咨询这些细节。避免过热有许多因素会导致生热，例如外壳、气流等，但本节主要讲述外露的焊盘。带有外露焊盘的*，例如LTC、ADP、ADP、ADP等，如果正确连接至电路板，其热阻会更低。一般来说，如果*IC的功率MOSFET是置于裸片之中（即是整片式的），该IC的焊盘通常外露，以便散热。如果转换器IC使用外部功率MOSFET运行（为*IC），那么控制IC通常无需要使用外露焊盘，因为它的主要制热源（功率MOSFET）本身就在IC外部。通常，这些外露的焊盘必须*到PCB接地板上才有效。根据IC的不同，也有一些例外，有些*会指明，它们可以连接至隔离的焊盘PCB区域，以作为散热器进行散热。如果不确定，请参阅有关部件的数据表。当您将外露的焊盘连接到PCB平面或隔离区域时，(a)确保将这些孔（许多排成阵列）连接到地平面以进行散热（热传递）。对于多层PCB接地层，建议利用过孔将焊盘下方所有层上的接地层连在一起。如需更多信息，请参阅
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图1.生产的电路板出现问题时，成本可能急速上涨。功率预算您需要注意在正常情况下按预期运行，但在全速模式或不稳定数据开始出现时（已排除噪声和干扰之后）不能按预期运行的*。退出级联阶段时，要避免限流情况。图2所示为一个典型的级联应用：(A)显示由产生3.3V电源，电流最大mA的ADP降压稳压器(PSU1)构成的设计。为了提高效率，设计人员应分接3.3V电轨，而不是5V输入电源。3.3V输出被进一步切断，以为PSU2(LT)供电，这款LDO稳压器用于进一步将电压降低至2.5V，且按照板载2.5V电路和IC的要求，将最大输出电流*在1.1A。这种*存在一些很典型的隐藏问题。它在正常情况下能够正常运行。但是，当*初始化并开始全速运行时——例如，当微处理器和/或ADC开始高速采样时——问题就出现了。由于没有稳压器能在输出端生成高于输入端的电压，在图2a中，用于为合并电路VOUT1和VOUT2供电的VOUT1最大功率(P=V×I)atis3.3V×0.5A=1.W.最大功率(P=V×I)为3.3V×0.5A=1.W。得出此数值的前提是效率为%，但是因为供电过程中会出现损耗，所以实际功率要低于该数值。假定2.5V电源轨道的最大可用功率为2.W。如果电路试图获取这么多的功率，但这种要求得不到满足，就会在PSU1开始限流时出现不规律行为。电流可能由于PSU1而开始限流，更糟的是，有些*因过流完全关断。如果图2a是在成功排除故障后实施，则可能需要更高功率的*。最理想的情况是使用与引脚兼容、电流更高的器件进行替换；最糟糕的情况下，则需要完全重新设计和制造PCB。如果能在概念设计阶段开始之*虑功率预算，则可以避免潜在的项目计划延迟（参见图1）。在考虑这一点的情况下，先创建真实的功率预算，然后选择*。包括您所需的所有电源电轨：2.5V、3.3V、5V等。包括所有会消耗每个电轨功率的上拉电阻、离散器件和IC。使用这些值反向工作，以如图2b所示，估算您需要的电源。使用电力树*设计工具，例如LTpowerPlanner（图3）来轻松创建支持所需的功率预算的电力树。图2.避开电力树中的限流设计*。图3.LTpowerPlanner电源树。布局和布线正确的布局和布线可以避免因错误的走线宽度、错误的通孔、引脚（连接器）数量不足、错误的接触点大小等导致轨道被烧毁，进而引发电流*。下面章节介绍了一些值得注意的地方，也提供几个PCB设计技巧。连接器和引脚接头将图2中所示的示例的总电流扩展至A，那么设计人员必须考虑引脚的电流处理接触能力，如图4所示。一般来说，引脚或接触点的载流能力受几个因素影响，例如引脚的大小（接触面积）、金属成分等。直径为1.1mm1的典型过孔凸式连接引脚的电流约为3A。如果需要A，那么应确保您的设计具有足够多的引脚，足以处理总体的载流容量。这可以通过增大每个导体（或触点）的载流能力来轻松实现，并保留一些安全裕度，使其载流能力超过PCB电路的总电流消耗。在本例中，要实现A需要6个引脚（且具备1A余量）。VCC和GND一共需要个引脚。要减少触点个数，可以考虑使用电源插座或更大的触点。布线用可用的线上PCB工具来帮助确定布局的电流能力。一盎司电轨宽度为1.mm的铜质PCB的载流能力约为3A，电轨宽度为3mm时，载流能力约为5A。还要留出一些余量，所以A的电轨的宽度需要达到mm（约mm）（请注意，本例未考虑温度升高带来的影响）。从图4可以看出，因为受PSU和*电路的空间*，无法实现mm电轨宽度。要解决这个问题，一个简单的解决方案是使用多层PCB。将布线宽度降低到（例如）3mm，并将这些布线*到PCB中的所有层上，以确保（所有层中的）布线的总和能够达到至少A的载流能力。图4.物理接触和电流处理能力。过孔和连接图5显示一个过孔示例，该过孔正在连接*的PCB的多个电源层。如果您选择1A过孔，但需要2A电流，那么电轨宽度必须能够携带2A的电流，且过孔连接也要能够处理这个电流。图5所示的示例至少需要两个过孔（如果空间允许，最好是三个），用于将电流连接至电源层。这个问题经常被忽略，一般只使用一个过孔来进行连接。连接完成后，这个过孔会作为保险丝使用，它会熔断，并断开与相邻层的电源连接。设计*的过孔后期很难改善和解决，因为熔断的过孔很难注意到，或者被其他器件遮住。图5.过孔连接。请注意关于过孔和PCB电轨的下列参数：电轨宽度、过孔尺寸和电气参数受几个因素影响，例如PCB涂层、路由层、工作温度等，这些因素最终会影响载流能力。以前的PCB设计技巧没有考虑这些依赖关系，但是，设计人员在确定布局参数时，需要注意到这些。目前许多PCB电轨/过孔计算器都可在线使用。设计人员在完成原理图设计后，最好向PCB制造商或布局工程师咨询这些细节。避免过热有许多因素会导致生热，例如外壳、气流等，但本节主要讲述外露的焊盘。带有外露焊盘的*，例如LTC、ADP、ADP、ADP等，如果正确连接至电路板，其热阻会更低。一般来说，如果*IC的功率MOSFET是置于裸片之中（即是整片式的），该IC的焊盘通常外露，以便散热。如果转换器IC使用外部功率MOSFET运行（为*IC），那么控制IC通常无需要使用外露焊盘，因为它的主要制热源（功率MOSFET）本身就在IC外部。通常，这些外露的焊盘必须*到PCB接地板上才有效。根据IC的不同，也有一些例外，有些*会指明，它们可以连接至隔离的焊盘PCB区域，以作为散热器进行散热。如果不确定，请参阅有关部件的数据表。当您将外露的焊盘连接到PCB平面或隔离区域时，(a)确保将这些孔（许多排成阵列）连接到地平面以进行散热（热传递）。对于多层PCB接地层，建议利用过孔将焊盘下方所有层上的接地层连在一起。如需更多信息，请参阅 
