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PCB设计的注意事项介绍

2020-09-16 16:36:00

你是否考虑过如何在复杂的PCB中传输功率？是的，对于PCB设计人员来说，设计一个电源以向每个PCB组件（IC，发射器，电容器等）提供所需的电源是一项艰巨的工作，因为每个组件的电源要求都不同。只有完善的电源设计才能帮助克服这一挑战。

随着电路设计密度和复杂度的增加，电源设计的复杂性也得到了放大。为PCB设计人员提供了PCB电源设计和布局的几种可能性。尽管PCB电源设计的多样性，设计人员必须遵循某些规则并处理与之相关的常见问题。

电源设计中要处理的一些常见问题包括EMI，用于处理大电流的走线设计，减少电流环路，选择组件以及遵循数据表的布局建议。

在本文中，我们将介绍以下主题：

PCB电源设计

PCB电源的设计注意事项

选择合适的PCB电源稳压器

电源的热管理

接地层和电源层，可提供更好的PCB电源

去耦电容器和旁路电容器

EMI滤波

输电系统的频率响应

电源完整性（PI）

PCB电源设计

电源设计的目的不仅仅是将电源从交流转换为直流。电源的功能是以正确的电压和电流向电路组件供电。将来，电压通常低至1.8V和1.2V的器件。低压会降低电源噪声的容忍度。

电源还要求电流限制以限制最大电流。因此，电源的重要参数是电压，最大电流，电压纹波和最大电流下的热损耗。

显示了用于电源的电子电路的典型功率流。电子电路需要1.8V至12V的电压。1.2V，1.8V，3.3V，5V和12V是最常用的电压。

在第一阶段，将230VAC / 110VAC的输入AC电压转换为6-12V范围内的隔离DC电压。第二阶段采用降压开关稳压器，将6-12V转换为5V或3.3V。此外，使用LDO（低压差稳压器）将3.3V转换为1.8V或1.2V。

在开关电源（SMPS –开关电源）问世之前，铁芯变压器用于将230VAC / 110VAC高压转换为12VAC。进一步通过二极管桥式整流器将其整流为最大约12 x 1.4 = 16.8 VDC的DC电压。线性稳压器用于将电压降低到所需水平。这种电路的缺点是功率效率低（低于80％），热损耗高，PCB占用面积大以及功率纹波差。开关电源的使用提高了将电压转换为较低水平的效率，减少了电源的PCB占位面积（尺寸非常小巧，轻巧），并减少了纹波。

在线性稳压器中，由于较高的压降电压，以前会损失大量功率。例如，考虑线性稳压器LM7805。LM7805（5V）通常具有大约7.5V的压降电压，要求输入和输出电压之间的最小差值约为2.5V。因此，对于一个1A的稳压器，在7.5V输入时，稳压器的功耗为2.5V x 1A = 2.5W。使用低压降稳压器LM1117-5.0时，压降电压为6.2V，要求输入的输入电压为Vout + 1.2V。对于关键应用，可以使用开关稳压器和LDO的组合来提高效率。例如，从第一阶段开始，如果有7.5伏可用，则该电压将通过降压转换器降至3.3V，然后使用线性稳压器LM1117-1.8降至1.8V。

PCB电源的设计注意事项

设计电源时，设计人员必须了解电源操作的重要性才能使工作成功。

对于电源设计，设计人员需要执行良好的PCB布局并规划有效的配电网络。此外，设计人员需要确保将嘈杂的数字电路电源与关键的模拟电路电源和电路分开。下面讨论一些要考虑的重要事项：

1. 为PCB电源选择合适的稳压器

通常，设计人员在选择电源稳压器时有两种选择，即线性稳压器和开关模式稳压器。线性稳压器提供低噪声输出，但具有较高的散热量，因此需要冷却系统。开关模式稳压器在很宽的电流范围内都非常高效，但是开关噪声会引起尖峰响应。

甲线性模式要求的输入电压大于所需的输出电压更高，因为将有电压的最小压差。线性稳压器将具有相当大的功率损耗和散热，这会使线性稳压器的效率降低。如果要为PCB设计考虑线性稳压器，则必须考虑具有低压差的稳压器，并且必须在进行制造之前进行热分析。除此之外，线性模式调节器简单，便宜，并提供了无噪音的电压输出。

所述开关调节器通过在电感器暂时存储能量，然后在不同的切换时间不同的电压释放该能量一个电压转换成另一种。在这种电源中，使用了快速开关MOSFET。这些高效调节器的输出可通过更改脉冲宽度调制（PWM）的占空比进行调节。效率取决于电路的散热，在这种情况下散热很低。

开关稳压器的PWM开关会在输出中引起噪声或纹波。开关电流会导致其他信号中的噪声串扰。因此，开关电源需要与关键信号隔离。

开关稳压器使用MOSFET技术，因此很明显，这些稳压器会发出EMI（电磁干扰）噪声。我们无法完全消除任何电路中的EMI，但是可以通过减少EMI的措施（例如滤波，减少电流环路，接地层和屏蔽）来将其最小化。在您的设计中加入开关模式调节器之前，应考虑电磁兼容性（EMC）措施。

在选择稳压器时，线性和开关稳压电源是两个显而易见的选择。线性控制电源较为便宜，但效率低下，并且会散发更多热量。同时，开关稳压电源更昂贵，并且需要连接更多的无源元件，这不容易产生大量热量。

2. 电源的热管理

电源的性能直接取决于散热。每当电流通过时，大多数电子组件都会发热。散发的热量取决于组件的功率水平，特性和阻抗。如前所述，选择合适的稳压器可以减少电路的散热。开关稳压器的散热量较小，因此效率很高。

电子电路在较低温度下更有效地工作。为确保器件在环境温度下工作，设计人员应考虑适当的冷却方法。

如果设计者选择的是线性稳压器，则在系统允许的情况下，建议使用散热器或其他冷却方法。风扇可以集成到设计中，以确保在设备散热很高的情况下进行强制冷却。

整个PCB的散热可能不均匀。具有高额定功率的组件可能会散发大量热量，从而在其周围产生热点。可以在这些组件附近使用散热孔，以快速将热量从该区域转移出去。

散热技术和冷却方法的结合可以创建高效的电源设计。设计人员可以使用传导冷却方法（例如散热器，热管，散热孔），也可以使用对流冷却方法（例如冷却风扇，热电冷却器等）。

3. 接地层和电源层，以改善PCB电源

接地层和电源层是用于电力传输的低阻抗路径。电源需要单独的接地层来分配电源，降低EMI，最小化串扰并降低电压降。电源平面专用于将电源传输到PCB的所需区域。

PCB设计人员需要分别处理接地网络的各个部分。在多层PCB中，一层或多层可以专门用于接地层和电源层。而且，它们可以通过在两个有源信号层之间放置接地层来减少干扰和串扰，从而有效地将信号走线与地面相连。

4. 去耦电容器和旁路电容器

当全板上向组件分配电源时，不同的有源组件将导致接地弹跳和电源轨中的振铃。这可能导致组件电源引脚附近的电压下降。在这种情况下，设计人员在组件的电源引脚附近使用去耦和旁路电容器，以使器件的电流需求出现短暂的尖峰。

去耦背后的概念是降低电源与地之间的阻抗。去耦电容器用作次级电源，提供IC所需的电流。并充当本地电荷源以支持切换事件。

旁路电容器可绕过噪声并减少电源总线中的波动。它们放置在靠近器件或IC的位置，并链接在电源和地之间，以补偿许多IC同时切换时电源和地平面电位的变化。

旁路电容器用于抑制电网内的系统间或系统内噪声。所有去耦电容器必须靠近IC的电源引脚连接，另一端直接连接至低阻抗接地层。需要短走线到去耦电容器和接地通孔，以最大程度地减少此连接的串联电感。

选择本地旁路电容器时，需要考虑几个方面。这些因素包括选择正确的电容器值，介电材料，几何形状和电容器相对于IC的位置。去耦电容器的典型值为0.1μF陶瓷电容。

5. EMI滤波

EMI辐射可能来自任何进出电源外壳的电源线。PCB设计人员期望电源将其EMI保持在其定义的频谱极限以下。因此，在电源输入点使用了EMI滤波器以减少传导噪声。

EMI滤波器的体系结构使其可以阻止高频噪声。设计人员必须仔细布置滤波器电路组件，以防止组件将能量转移到连接它们的走线中，这一点至关重要。

6.供电系统的频率响应

当电源突然加载时，例如从空载到满载，电压输出将趋于短暂下降并恢复到正常电压。在某些情况下，在电压稳定到正常水平之前，输出将振荡一段时间。如果振荡超出设计极限，则有必要调整输出电容器和补偿电容器。例如，对于LM7805，建议在输出引脚旁边放置一个0.1μF电容器。同样，调节器突然卸载可能会导致过冲和振荡。

为了从电路设计中获得更好的响应，请确保所选的组件在设计限制之内。无论电路是交流还是直流，它们的响应都不同。交流和直流电路应分开考虑。

7.电源完整性（PI）

设计人员应确保电源设计的电源完整性。电源完整性只是传递到电路的电源质量。这是对功率从系统到系统内负载的传输效率的度量，它确保为所有电路和设备提供适当的功率，从而实现所需的电路性能。

噪声较小的电源可确保更高的电源完整性，电源完整性设计的核心是管理电源噪声。有一些仿真工具可帮助估算电路的电能质量。此类工具有助于估计电压降，建议使用去耦电容器，还可以识别电路中大电流的热点。

结论

良好的电源是电子设备准确运行的关键。如我们所见，PCB设计人员在考虑电源设计时有多种选择。考虑到这些因素，选择稳压器，电容器和EMI滤波非常重要。类似地，在设计电源系统时也应考虑热效应和负载响应。

同时，请遵循电源IC数据表中提到的建议。走线的厚度和元件的放置在电源设计中起着至关重要的作用。
责任编辑：tzh

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