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                      電源設計器件布局和布線要點

                      發布時間:2022-09-26 來源:ADI 責任編輯:wenwei

                      【導讀】在電源設計中,精心的布局和布線對于能否實現出色設計至關重要,要為尺寸、精度、效率留出足夠空間,以避免在生產中出現問題。我們可以利用多年的測試經驗,以及布局工程師具備的專業知識,最終完成電路板生產。


                      精心的設計的效率


                      設計從圖紙上看起來可能毫無問題(也就是說,從原理圖角度),甚至在模擬期間也沒有任何問題,但真正的測試其實是在布局、PCB制造,以及通過載入電路實施原型制作應力測試之后。這部分使用真實的設計示例,介紹一些技巧來幫助避開陷阱。我們將介紹幾個重要概念,以幫助避開設計缺陷和其他陷阱,以免未來需要重新設計和/或重新制作PCB。圖1顯示在沒有進行細致測試和余量分析的情況下,在設計進入生產之后會如何造成成本急速上漲。


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                      圖1. 生產的電路板出現問題時,成本可能急速上漲。


                      功率預算


                      您需要注意在正常情況下按預期運行,但在全速模式或不穩定數據開始出現時(已排除噪聲和干擾之后)不能按預期運行的系統。


                      退出級聯階段時,要避免限流情況。圖2所示為一個典型的級聯應用:(A) 顯示由產生3.3 V電源,電流最大500 mA的ADP5304 降壓 穩壓器(PSU1)構成的設計。為了提高效率,設計人員應分接3.3 V電軌,而不是5 V輸入電源。3.3 V輸出被進一步切斷,以為PSU2 (LT1965)供電,這款LDO穩壓器用于進一步將電壓降低至2.5 V,且按照板載2.5 V電路和IC的要求,將最大輸出電流限制在1.1 A。


                      這種系統存在一些很典型的隱藏問題。它在正常情況下能夠正常運行。但是,當系統初始化并開始全速運行時——例如,當微處理器和/或ADC開始高速采樣時——問題就出現了。由于沒有穩壓器能在輸出端生成高于輸入端的電壓,在圖2a中,用于為合 并電路VOUT1 和VOUT2 供電的 VOUT1 最大功率(P=V×I) 為1.65 W,得出此數值的前提是效率為100%,但是因為供電過程中會出現損耗,所以實際功率要低于該數值。假定2.5 V電源軌道的最大可用功率為2.75 W。如果電路試圖獲取這么多的功率,但這種要求得不到滿足,就會在PSU1開始限流時出現不規律行為。電流可能由于PSU1而開始限流,更糟的是,有些控制器因過流完全關斷。


                      如果圖2a是在成功排除故障后實施,則可能需要更高功率的控制器。最理想的情況是使用與引腳兼容、電流更高的器件進行替換;最糟糕的情況下,則需要完全重新設計和制造PCB。如果能在概念設計階段開始之前考慮功率預算,則可以避免潛在的項目計劃延遲(參見圖1)。


                      在考慮這一點的情況下,先創建真實的功率預算,然后選擇控制器。包括您所需的所有電源電軌:2.5 V、3.3 V、5 V等。包括所有會消耗每個電軌功率的上拉電阻、離散器件和IC。使用這些值反向工作,以如圖2b所示,估算您需要的電源。使用電力樹系統設計工具,例如LTpowerPlanner(圖3)來輕松創建支持所需的功率預算的電力樹。


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                      圖2. 避開電力樹中的限流設計缺陷。


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                      圖3. LTpowerPlanner電源樹。


                      布局和布線


                      正確的布局和布線可以避免因錯誤的走線寬度、錯誤的通孔、引腳(連接器)數量不足、錯誤的接觸點大小等導致軌道被燒毀,進而引發電流限制。下面章節介紹了一些值得注意的地方,也提供幾個PCB設計技巧。


                      連接器和引腳接頭


                      將圖2中所示的示例的總電流擴展至17 A,那么設計人員必須考慮引腳的電流處理接觸能力,如圖4所示。一般來說,引腳或接觸點的載流能力受幾個因素影響,例如引腳的大?。ń佑|面積)、金屬成分等。直徑為1.1 mm的典型過孔凸式連接引腳的電流約為3 A。如果需要17 A,那么應確保您的設計具有足夠多的引腳,足以處理總體的載流容量。這可以通過增大每個導體(或觸點)的載流能力來輕松實現,并保留一些安全裕度,使其載流能力超過PCB電路的總電流消耗。在本例中,要實現17 A需要6個引腳(且具備1A余量)。V CC 和GND一共需要12個引腳。要減少觸點個數,可以考慮使用電源插座或更大的觸點。


                      布線


                      用可用的線上PCB工具來幫助確定布局的電流能力。一盎司電軌寬度為1.27 mm的銅質PCB的載流能力約為3 A,電軌寬度為3 mm 時,載流能力約為5 A。還要留出一些余量,所以20 A的電軌的寬度需要達到19 mm(約20 mm)(請注意,本例未考慮溫度升高帶來的影響)。從圖4可以看出,因為受PSU和系統電路的空間限制,無法實現20 mm電軌寬度。要解決這個問題,一個簡單的解 決方案是使用多層PCB。將布線寬度降低到(例如)3 mm,并將這些布線復制到PCB中的所有層上,以確保(所有層中的)布線的總和能夠達到至少20 A的載流能力。


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                      圖4. 物理接觸和電流處理能力。


                      過孔和連接


                      圖5顯示一個過孔示例,該過孔正在連接控制器的PCB的多個電源層。如果您選擇1 A過孔,但需要2 A電流,那么電軌寬度必須能夠攜帶2 A的電流,且過孔連接也要能夠處理這個電流。圖5所示的示例至少需要兩個過孔(如果空間允許,最好是三個),用于將電流連接至電源層。這個問題經常被忽略,一般只使用一個過孔來進行連接。連接完成后,這個過孔會作為保險絲使用,它會熔斷,并斷開與相鄰層的電源連接。設計不良的過孔后期很難改善和解決,因為熔斷的過孔很難注意到,或者被其他器件遮住。


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                      圖5. 過孔連接。


                      請注意關于過孔和PCB電軌的下列參數:電軌寬度、過孔尺寸和電氣參數受幾個因素影響,例如PCB涂層、路由層、工作溫度等,這些因素最終會影響載流能力。以前的PCB設計技巧沒有考慮這些依賴關系,但是,設計人員在確定布局參數時,需要注意到這些。目前許多PCB電軌/過孔計算器都可在線使用。設計人員在完成原理圖設計后,最好向PCB制造商或布局工程師咨詢這些細節。


                      避免過熱


                      有許多因素會導致生熱,例如外殼、氣流等,但本節主要講述外露的焊盤。帶有外露焊盤的控制器,例如LTC3533、ADP5304、ADP2386、ADP5054等,如果正確連接至電路板,其熱阻會更低。一般來說,如果控制器IC的功率MOSFET是置于裸片之中(即是整片式的),該IC的焊盤通常外露,以便散熱。如果轉換器IC使用外部功率MOSFET運行(為控制器IC),那么控制IC通常無需要使用外露焊盤,因為它的主要制熱源(功率MOSFET)本身就在IC外部。


                      通常,這些外露的焊盤必須焊接到PCB接地板上才有效。根據IC的不同,也有一些例外,有些控制器會指明,它們可以連接至隔離的焊盤PCB區域,以作為散熱器進行散熱。如果不確定,請參閱有關部件的數據表。


                      當您將外露的焊盤連接到PCB平面或隔離區域時,(a)確保將這些孔(許多排成陣列)連接到地平面以進行散熱(熱傳遞)。對于多層PCB接地層,建議利用過孔將焊盤下方所有層上的接地層連在一起。


                      請注意,關于外露焊盤的討論是與控制器相關。在其他IC中使用外露焊盤可能需要使用極為不同的處理方法。


                      結論與匯總


                      要設計低噪聲、不會因為電軌或過孔燒毀而影響系統電路的電源,從成本、效率、效率和PCB面積大小各方面來說都是一項挑戰。本文強調了一些設計人員可能會忽略的地方,例如使用功率預算分析來構建電力樹,以支持所有的后端負載。


                      原理圖和模擬只是設計的第一步,之后是謹慎的器件定位和路由技術。過孔、電軌和載流能力都必須符合要求,并接受評估。如果接口位置存在開關噪聲,或者開關噪聲到達IC的功率引腳,那么系統電路會失常,且難以隔離并排除故障。



                      免責聲明:本文為轉載文章,轉載此文目的在于傳遞更多信息,版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題,請聯系小編進行處理。


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