多軌電源設(shè)計(jì)的布局提示和技巧

電源設(shè)計(jì)可分為三個(gè)主要階段：（a） 設(shè)計(jì)策略和 IC 選擇，（b） 原理圖設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試，以及 （c） 布局和布線。在 （a） 設(shè)計(jì)和 （b） 仿真階段投入時(shí)間可以證明您的設(shè)計(jì)概念的有效性，但真正的測(cè)試需要將它們放在一起并在臺(tái)面上進(jìn)行測(cè)試。在本文中，我們將跳到步驟（c），因?yàn)橛写罅抠Y源涵蓋了ADI公司的仿真和設(shè)計(jì)電源工具，均可免費(fèi)下載，例如LTpowerPlanner、LTpowerCad、LTspice和LTpowerPlay。本系列的第 1 部分介紹了 （a） 策略。????

本文由兩部分組成，旨在解決設(shè)計(jì)多軌電源時(shí)有時(shí)會(huì)被忽視的問(wèn)題。第 1 部分重點(diǎn)介紹策略和拓?fù)?，本文重點(diǎn)介紹功耗預(yù)算和電路板布局的細(xì)節(jié)。由于許多應(yīng)用板需要多個(gè)電源軌，本系列由兩部分組成，探討了多電源板解決方案。目標(biāo)是通過(guò)良好的元件放置和布線實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的初始設(shè)計(jì)，以突出一些功率預(yù)算和布線提示和技巧。

在電源設(shè)計(jì)中，仔細(xì)的布局和布線對(duì)于產(chǎn)生穩(wěn)健的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，這些設(shè)計(jì)在尺寸、精度、效率和避免生產(chǎn)問(wèn)題方面具有充足的裕量。多年的臺(tái)式經(jīng)驗(yàn)可以提供幫助， 因此請(qǐng)依靠布局工程師在最終完成電路板制造方面的知識(shí).

精心設(shè)計(jì)的功效

設(shè)計(jì)可能在紙面上看起來(lái)很扎實(shí)（即從原理圖的角度來(lái)看），甚至可以毫無(wú)問(wèn)題地進(jìn)行仿真，但真正的測(cè)試是在布局、PCB 制造和通過(guò)加載電路進(jìn)行原型壓力測(cè)試之后。本節(jié)重點(diǎn)介紹一些提示和技巧，通過(guò)使用實(shí)際設(shè)計(jì)示例來(lái)避免陷阱。一些重要的概念有助于避免可能導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)和/或PCB重新設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)缺陷和其他陷阱。圖 1 顯示了如果設(shè)計(jì)在沒(méi)有仔細(xì)測(cè)試和余量分析的情況下深入生產(chǎn)，成本會(huì)如何迅速上升。

圖1.當(dāng)問(wèn)題出現(xiàn)在生產(chǎn)板上時(shí)，成本會(huì)迅速上升。

功率預(yù)算

注意系統(tǒng)在正常條件下按預(yù)期運(yùn)行，但在全速模式下或當(dāng)數(shù)據(jù)開(kāi)始不穩(wěn)定時(shí)（當(dāng)噪聲和干擾被排除時(shí)）則不然。

在利用級(jí)聯(lián)級(jí)時(shí)避免出現(xiàn)電流限制情況。圖2顯示了一個(gè)典型的級(jí)聯(lián)應(yīng)用：（a）所示設(shè)計(jì)由ADP5304降壓穩(wěn)壓器（PSU1）組成，產(chǎn)生3.3 V電源，最大電流為500 mA。為了提高效率，設(shè)計(jì)人員應(yīng)分接3.3 V電源軌，而不是輸入5 V電源。3.3 V輸出進(jìn)一步分接，為PSU2（LT1965）供電，該LDO穩(wěn)壓器用于進(jìn)一步調(diào)節(jié)低至2.5 V，最大輸出電流為1.1 A，滿足板載2.5 V電路和IC的要求。

這是一個(gè)具有一些經(jīng)典隱藏問(wèn)題的系統(tǒng)。系統(tǒng)在正常情況下工作正常。但是，當(dāng)系統(tǒng)初始化并開(kāi)始全速運(yùn)行時(shí)，例如，當(dāng)微處理器和/或ADC開(kāi)始高速采樣時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。由于沒(méi)有穩(wěn)壓器在其輸出端產(chǎn)生比輸入端更多的功率，因此在圖2a中，V時(shí)的最大功率（P = V × I）輸出1為 3.3 V × 0.5 A = 1.65 W 為組合電路 V 供電輸出1和 V輸出2.這假設(shè)效率為100%，因此由于電源損耗，可用功率較少。2.5 V電源軌的假定最大可用功率為2.75 W。如果電路試圖要求如此大的功率，它們將無(wú)法滿足，從而導(dǎo)致PSU1開(kāi)始達(dá)到電流限制時(shí)行為不穩(wěn)定。電流可能由于PSU1而開(kāi)始限制，或者更糟糕的是，一些穩(wěn)壓器由于過(guò)流而完全關(guān)斷。

如果在成功排除故障后實(shí)施圖2a，則可能需要更換更高功率的穩(wěn)壓器。最好的情況是引腳兼容的更高電流替代品;最壞的情況是完全重新設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì) PCB.通過(guò)在設(shè)計(jì)概念階段之前牢記功率預(yù)算，可以避免潛在的項(xiàng)目延遲時(shí)間表（見(jiàn)圖1）。

考慮到這一點(diǎn)，在選擇一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)壓器之前，請(qǐng)創(chuàng)建切合實(shí)際的功率預(yù)算。包括所有必需的電源軌：2.5 V、3.3 V、5 V 等。包括所有上拉電阻、分立器件和IC，每個(gè)電源軌消耗功率。使用這些值并逆向估算電源要求，如圖2b所示。使用電源樹(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，如LTpowerPlanner（圖3），輕松創(chuàng)建支持所需功率預(yù)算的電源樹(shù)。

圖2.避免電源樹(shù)中的電流限制設(shè)計(jì)缺陷。

圖3.LTpowerPlanner power tree。

布局、跟蹤和路由

正確的布局、跟蹤和布線可避免由于錯(cuò)誤的軌道寬度、錯(cuò)誤的過(guò)孔、引腳（連接器）數(shù)量不足、觸點(diǎn)尺寸錯(cuò)誤等原因?qū)е萝壍罒龤Ф鴮?dǎo)致的電流容量限制。以下部分包括一些有價(jià)值的提醒和一些PCB設(shè)計(jì)技巧.

連接器和引腳接頭

將圖2所示的示例擴(kuò)展到17 A的總電流，設(shè)計(jì)人員必須考慮引腳（或多個(gè)引腳）的電流處理接觸能力，如圖4所示。通常，引腳或觸點(diǎn)的載流能力取決于幾個(gè)因素，例如物理引腳尺寸（觸點(diǎn)面積）、金屬成分等。直徑為 1.1 mm 的典型通孔公頭針1大約是 3 A。如果需要 17 A，請(qǐng)確保您的設(shè)計(jì)有足夠的引腳來(lái)處理總載流能力。這很容易通過(guò)乘以每個(gè)導(dǎo)體（或觸點(diǎn)）的載流能力來(lái)實(shí)現(xiàn)，并具有一定的安全裕度，以超過(guò)PCB電路的總電流消耗。在本例中，要實(shí)現(xiàn)17 A電流，需要6個(gè)引腳（裕量為1 A）。兩個(gè) V 總共需要 12 個(gè)引腳抄送和GND。要減少觸點(diǎn)數(shù)量，請(qǐng)考慮使用電源插孔或更大的觸點(diǎn)。

軌道

使用可用的在線PCB工具來(lái)幫助確定布局中的當(dāng)前功能。一盎司的銅 PCB 的走線寬度為 1.27 mm 可產(chǎn)生大約 3 A 的載流能力，3 mm 的走線寬度產(chǎn)生大約 5 A 的載流能力。允許一些裕量，20 A 軌道需要 19 mm（約 20 mm）的寬度（請(qǐng)注意，本例中未考慮溫度升高）。從圖4可以看出，由于PSU和系統(tǒng)電路的空間限制，20 mm的走線寬度是不可行的。為了解決這個(gè)問(wèn)題， 一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是利用多個(gè)PCB層.減小走線寬度（例如，減小到3 mm），并將這些走線復(fù)制到PCB中的所有可用層，以確?？偨M合走線（在所有層中）滿足至少20 A的電流能力。

圖4.物理接觸和電流處理能力。

過(guò)孔和拼接

圖5顯示了從穩(wěn)壓器拼接PCB電源層的過(guò)孔示例。如果選擇了 1 A 過(guò)孔，并且您的功率要求為 2 A，則軌道寬度必須能夠承載 2 A，并且過(guò)孔拼接也必須能夠處理它。圖5中的示例需要至少兩個(gè)過(guò)孔（如果有空間，最好是三個(gè)）將電流拼接到電源層。當(dāng)僅使用單個(gè)通孔進(jìn)行拼接時(shí)，這一點(diǎn)經(jīng)常被忽略。完成此操作后，通孔就像保險(xiǎn)絲一樣，將熔斷并斷開(kāi)相鄰平面的電源。設(shè)計(jì)不足的過(guò)孔可能很難排除故障，因?yàn)榇低卓赡懿幻黠@，或者可能很難看到它是否被組件遮擋了。

圖5.通過(guò)縫合。

請(qǐng)注意過(guò)孔和PCB走線的以下參數(shù)：走線寬度、通孔尺寸和電氣參數(shù)取決于影響最終載流能力的幾個(gè)因素，如PCB鍍層、布線層、工作溫度等。前面的PCB設(shè)計(jì)技巧沒(méi)有考慮到這些依賴關(guān)系，但設(shè)計(jì)人員在確定布局參數(shù)時(shí)應(yīng)該意識(shí)到這些。許多PCB走線/通孔計(jì)算器可在線獲得。強(qiáng)烈建議設(shè)計(jì)人員在原理圖設(shè)計(jì)后咨詢其PCB制造商或布局工程師，并牢記這些細(xì)節(jié)。

避免過(guò)熱

許多因素都可能導(dǎo)致散熱問(wèn)題，例如外殼、氣流等，但本節(jié)重點(diǎn)介紹裸露的槳葉。具有裸露焊盤的穩(wěn)壓器，如LTC3533、ADP5304、ADP2386、ADP5054等，如果正確連接到電路板，則熱阻較低。 通常，如果穩(wěn)壓器IC在芯片中設(shè)計(jì)了功率MOSFET（即單片），則IC通常具有用于散熱的裸焊盤。如果轉(zhuǎn)換器 IC 使用外部功率 MOSFET（它是控制器 IC）工作，則控制 IC 通常不需要裸露焊盤，因?yàn)橹饕獰嵩矗üβ?MOSFET）位于 IC 外部。

通常，這些裸焊盤必須焊接到PCB接地層上才能有效。根據(jù)IC的不同，也有例外，因?yàn)橐恍┓€(wěn)壓器指定它們可以連接到隔離的焊接PCB區(qū)域，以充當(dāng)散熱片。如果不確定，請(qǐng)參閱相關(guān)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

當(dāng)您將裸露焊盤連接到PCB平面或隔離區(qū)域時(shí)，（a）確保將這些過(guò)孔（其中許多是陣列形式）縫合到接地層以進(jìn)行散熱（傳熱）。對(duì)于多層PCB接地層，建議將焊盤下方所需的接地層（在所有層上）與過(guò)孔縫合在一起。

請(qǐng)注意，關(guān)于裸露焊盤的討論是關(guān)于穩(wěn)壓器的。將裸露焊盤用于其他IC可能需要非常不同的處理。有關(guān)裸焊盤使用的進(jìn)一步討論，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)工程師專區(qū)。?5

結(jié)論和總結(jié)

設(shè)計(jì)具有足夠低噪聲的電源，而不會(huì)因走線或過(guò)孔燒毀而影響系統(tǒng)電路，在成本、效率、性能和PCB面積方面是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。本文重點(diǎn)介紹了設(shè)計(jì)人員可能忽略的一些領(lǐng)域，例如使用功率預(yù)算分析構(gòu)建電源樹(shù)以支持所有下游負(fù)載。

原理圖和仿真只是設(shè)計(jì)的第一步，隨后是仔細(xì)的元件放置和布線技術(shù)。過(guò)孔、走線和載流能力必須合規(guī)并經(jīng)過(guò)評(píng)估。系統(tǒng)電路將行為異常，如果接口上存在開(kāi)關(guān)噪聲或已饋入IC的電源引腳，則很難隔離故障排除。

審核編輯：郭婷