PCB設計的注意事項介紹

你是否考慮過如何在復雜的PCB中傳輸功率？是的，對于PCB設計人員來說，設計一個電源以向每個PCB組件（IC，發(fā)射器，電容器等）提供所需的電源是一項艱巨的工作，因為每個組件的電源要求都不同。只有完善的電源設計才能幫助克服這一挑戰(zhàn)。

隨著電路設計密度和復雜度的增加，電源設計的復雜性也得到了放大。為PCB設計人員提供了PCB電源設計和布局的幾種可能性。盡管PCB電源設計的多樣性，設計人員必須遵循某些規(guī)則并處理與之相關的常見問題。

電源設計中要處理的一些常見問題包括EMI，用于處理大電流的走線設計，減少電流環(huán)路，選擇組件以及遵循數(shù)據(jù)表的布局 建議。

在本文中，我們將介紹以下主題：

PCB電源設計

PCB電源的設計注意事項

選擇合適的PCB電源穩(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

去耦電容器和旁路電容器

EMI濾波

輸電系統(tǒng)的頻率響應

電源完整性（PI）

PCB電源設計

電源設計的目的不僅僅是將電源從交流轉換為直流。電源的功能是以正確的電壓和電流向電路組件供電。將來，電壓通常低至1.8V和1.2V的器件。低壓會降低電源噪聲的容忍度。

電源還要求電流限制以限制最大電流。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下的熱損耗。

顯示了用于電源的電子電路的典型功率流。電子電路需要1.8V至12V的電壓。1.2V，1.8V，3.3V，5V和12V是最常用的電壓。

在第一階段，將230VAC / 110VAC的輸入AC電壓轉換為6-12V范圍內(nèi)的隔離DC電壓。第二階段采用降壓開關穩(wěn)壓器，將6-12V轉換為5V或3.3V。此外，使用LDO（低壓差穩(wěn)壓器）將3.3V轉換為1.8V或1.2V。

在開關電源（SMPS –開關電源）問世之前，鐵芯變壓器用于將230VAC / 110VAC高壓轉換為12VAC。進一步通過二極管橋式整流器將其整流為最大約12 x 1.4 = 16.8 VDC的DC電壓。線性穩(wěn)壓器用于將電壓降低到所需水平。這種電路的缺點是功率效率低（低于80％），熱損耗高，PCB占用面積大以及功率紋波差。開關電源的使用提高了將電壓轉換為較低水平的效率，減少了電源的PCB占位面積（尺寸非常小巧，輕巧），并減少了紋波。

在線性穩(wěn)壓器中，由于較高的壓降電壓，以前會損失大量功率。例如，考慮線性穩(wěn)壓器LM7805。LM7805（5V）通常具有大約7.5V的壓降電壓，要求輸入和輸出電壓之間的最小差值約為2.5V。因此，對于一個1A的穩(wěn)壓器，在7.5V輸入時，穩(wěn)壓器的功耗為2.5V x 1A = 2.5W。使用低壓降穩(wěn)壓器LM1117-5.0時，壓降電壓為6.2V，要求輸入的輸入電壓為Vout + 1.2V。對于關鍵應用，可以使用開關穩(wěn)壓器和LDO的組合來提高效率。例如，從第一階段開始，如果有7.5伏可用，則該電壓將通過降壓轉換器降至3.3V，然后使用線性穩(wěn)壓器LM1117-1.8降至1.8V。

PCB電源的設計注意事項

設計電源時，設計人員必須了解電源操作的重要性才能使工作成功。

對于電源設計，設計人員需要執(zhí)行良好的PCB布局并規(guī)劃有效的配電網(wǎng)絡。此外，設計人員需要確保將嘈雜的數(shù)字電路電源與關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：

1. 為PCB電源選擇合適的穩(wěn)壓器

通常，設計人員在選擇電源穩(wěn)壓器時有兩種選擇，即線性穩(wěn)壓器和開關模式穩(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，但是開關噪聲會引起尖峰響應。

甲線性模式要求的輸入電壓大于所需的輸出電壓更高，因為將有電壓的最小壓差。線性穩(wěn)壓器將具有相當大的功率損耗和散熱，這會使線性穩(wěn)壓器的效率降低。如果要為PCB設計考慮線性穩(wěn)壓器，則必須考慮具有低壓差的穩(wěn)壓器，并且必須在進行制造之前進行熱分析。除此之外，線性模式調節(jié)器簡單，便宜，并提供了無噪音的電壓輸出。

所述開關調節(jié)器通過在電感器暫時存儲能量，然后在不同的切換時間不同的電壓釋放該能量一個電壓轉換成另一種。在這種電源中，使用了快速開關MOSFET。這些高效調節(jié)器的輸出可通過更改脈沖寬度調制（PWM）的占空比進行調節(jié)。效率取決于電路的散熱，在這種情況下散熱很低。

開關穩(wěn)壓器的PWM開關會在輸出中引起噪聲或紋波。開關電流會導致其他信號中的噪聲串擾。因此，開關電源需要與關鍵信號隔離。

開關穩(wěn)壓器使用MOSFET技術，因此很明顯，這些穩(wěn)壓器會發(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。在您的設計中加入開關模式調節(jié)器之前，應考慮電磁兼容性（EMC）措施。

在選擇穩(wěn)壓器時，線性和開關穩(wěn)壓電源是兩個顯而易見的選擇。線性控制電源較為便宜，但效率低下，并且會散發(fā)更多熱量。同時，開關穩(wěn)壓電源更昂貴，并且需要連接更多的無源元件，這不容易產(chǎn)生大量熱量。

2. 電源的熱管理

電源的性能直接取決于散熱。每當電流通過時，大多數(shù)電子組件都會發(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，設計人員應考慮適當?shù)睦鋮s方法。

如果設計者選擇的是線性穩(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。風扇可以集成到設計中，以確保在設備散熱很高的情況下進行強制冷卻。

整個PCB的散熱可能不均勻。具有高額定功率的組件可能會散發(fā)大量熱量，從而在其周圍產(chǎn)生熱點?？梢栽谶@些組件附近使用散熱孔，以快速將熱量從該區(qū)域轉移出去。

散熱技術和冷卻方法的結合可以創(chuàng)建高效的電源設計。設計人員可以使用傳導冷卻方法（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?。電源需要單獨的接地層來分配電源，降低EMI，最小化串擾并降低電壓降。電源平面專用于將電源傳輸?shù)絇CB的所需區(qū)域。

PCB設計人員需要分別處理接地網(wǎng)絡的各個部分。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有源信號層之間放置接地層來減少干擾和串擾，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

當全板上向組件分配電源時，不同的有源組件將導致接地彈跳和電源軌中的振鈴。這可能導致組件電源引腳附近的電壓下降。在這種情況下，設計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。它們放置在靠近器件或IC的位置，并鏈接在電源和地之間，以補償許多IC同時切換時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，需要考慮幾個方面。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陶瓷電容。

5. EMI濾波

EMI輻射可能來自任何進出電源外殼的電源線。PCB設計人員期望電源將其EMI保持在其定義的頻譜極限以下。因此，在電源輸入點使用了EMI濾波器以減少傳導噪聲。

EMI濾波器的體系結構使其可以阻止高頻噪聲。設計人員必須仔細布置濾波器電路組件，以防止組件將能量轉移到連接它們的走線中，這一點至關重要。

6.供電系統(tǒng)的頻率響應

當電源突然加載時，例如從空載到滿載，電壓輸出將趨于短暫下降并恢復到正常電壓。在某些情況下，在電壓穩(wěn)定到正常水平之前，輸出將振蕩一段時間。如果振蕩超出設計極限，則有必要調整輸出電容器和補償電容器。例如，對于LM7805，建議在輸出引腳旁邊放置一個0.1μF電容器。同樣，調節(jié)器突然卸載可能會導致過沖和振蕩。

為了從電路設計中獲得更好的響應，請確保所選的組件在設計限制之內(nèi)。無論電路是交流還是直流，它們的響應都不同。交流和直流電路應分開考慮。

7.電源完整性（PI）

設計人員應確保電源設計的電源完整性。電源完整性只是傳遞到電路的電源質量。這是對功率從系統(tǒng)到系統(tǒng)內(nèi)負載的傳輸效率的度量，它確保為所有電路和設備提供適當?shù)墓β?，從而實現(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，電源完整性設計的核心是管理電源噪聲。 有一些仿真工具可幫助估算電路的電能質量。此類工具有助于估計電壓降，建議使用去耦電容器，還可以識別電路中大電流的熱點。

結論

良好的電源是電子設備準確運行的關鍵。如我們所見，PCB設計人員在考慮電源設計時有多種選擇?？紤]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，在設計電源系統(tǒng)時也應考慮熱效應和負載響應。

同時，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計中起著至關重要的作用。
責任編輯：tzh