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  在電源設計中，精心的布局和布線對于實現(xiàn)優(yōu)秀的設計非常重要。為了避免生產(chǎn)中的問題，有必要為尺寸、精度和效率留出足夠的空間。我們可以利用多年的測試經(jīng)驗和布局工程師的專業(yè)知識，最終完成電路板的生產(chǎn)。

  精心設計的效率

  從圖紙上看，設計可能沒有問題(也就是說，從原理圖的角度來看)，甚至在模擬過程中也沒有問題，但真正的測試實際上是在布局、PCB制造和通過加載電路進行原型制造應力測試之后。在這一部分中，使用真實的設計示例介紹了一些技巧，以幫助避免陷阱。我們將介紹幾個重要的概念，以幫助避免設計缺陷和其他陷阱，以避免未來需要重新設計和/或重新制作PCB。圖1顯示了設計進入生產(chǎn)后如何導致成本快速上升，而無需詳細測試和余量分析。

  圖1.當生產(chǎn)的電路板出現(xiàn)問題時，成本可能會迅速上升。

  功率預算

正常情況下需要注意按預期運行的系統(tǒng)，但在全速模式或不穩(wěn)定數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)時(排除噪聲和干擾后)不能按預期運行。

  退出級聯(lián)階段時，應避免流量限制。圖2顯示了一個典型的級聯(lián)應用程序:(A)顯示了由ADP5304降壓穩(wěn)壓器(PSU1)組成的設計，產(chǎn)生3.3V電源，電流最大為500mA。為了提高效率，設計者應將3.3V電軌分開，而不是5V輸入電源。3.3V輸出被進一步切斷，以為PSU2(LT1965)供電，這款LDO穩(wěn)壓器用于進一步將電壓降低到2.5V，并根據(jù)板載2.5V電路和IC的要求將最大輸出電流限制在1.1A。

  這個系統(tǒng)有一些典型的隱藏問題。正常情況下可以正常運行。然而，當系統(tǒng)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(xiàn)了。由于沒有穩(wěn)壓器可以在輸出端生成高于輸入端的電壓，所以在圖2a中，用于合并電路VOUT1和VOUT2供電的VOUT1最大功率(P=V×I)為1.65W。假設2.5V電源軌道的最大可用功率為2.75W。如果電路試圖獲得如此多的功率，但不能滿足這一要求，那么當PSU1開始限制流量時，就會出現(xiàn)不規(guī)則的行為。由于PSU1，電流可能會受到限制，更糟糕的是，一些控制器會因為過流而完全關閉。

  如果圖2a在成功故障排除后實現(xiàn)，則可能需要更高功率的控制器。理想的情況是使用與引腳兼容、電流較高的設備進行更換;在最壞的情況下，PCB需要完全重新設計和制造。如果在概念設計階段開始前可以考慮電源預算，則可以避免潛在的項目計劃延遲(見圖1)。

  考慮到這一點，首先創(chuàng)建一個真實的功率預算，然后選擇一個控制器。包括你需要的所有電源軌道:2.5V、3.3V、5V等。包括上拉電阻、離散器件和IC，這些都會消耗每個軌道的功率。使用這些值反向工作，以估計您需要的電源，如圖2b所示。使用電源樹系統(tǒng)設計工具，如LTpowerPlanner(圖3)，輕松創(chuàng)建一個電源樹，以支持所需的功率預算。

圖2.避免電力樹中的限流設計缺陷

圖3.LTpowerPlaner電源樹

  布局和布線

  正確的布局和接線可以避免由于接線寬度錯誤、通孔錯誤、引腳(連接器)數(shù)量不足、接觸點尺寸錯誤而導致軌道燃燒，從而導致電流限制。以下章節(jié)介紹了一些值得注意的地方，并提供了一些PCB設計技能。

  連接器和引腳接頭

  如圖2所示例的總電流擴展到17A，設計者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的影響，如引腳的大小(接觸面積)、金屬成分等。直徑為1.1mm的典型過孔凸引腳的電流約為3A。如果你需要17A，你應該確保你的設計有足夠的引腳來處理整體載流能力。這可以通過增加每個導體(或接觸點)的載流能力來輕松實現(xiàn)，并保留一定的安全裕度，使其載流能力超過PCB電路的總電流能力。在本例中，需要實現(xiàn)17A需要6個引腳，并且有1個以上的V(G)總共有1個以下)。C和ND需要12個引腳。為了減少接觸點的數(shù)量，可以考慮使用電源插座或更大的接觸點。

  布線

  使用可用的在線PCB工具來幫助確定布局的電流容量。當電軌寬度為3毫米時，一盎司銅PCB的載流容量約為3A，當電軌寬度為3毫米時，載流容量約為5A。需要留出一些余量，所以20A的電軌寬度需要達到19毫米(約20毫米)(請注意，這個例子沒有考慮溫升的影響)。從圖4可以看出，由于PSU和系統(tǒng)電路的空間限制，20毫米的電軌寬度無法實現(xiàn)。要解決這個問題，一個簡單的解決辦法是使用多層PCB。將接線寬度降低到(例如)3毫米，并將這些接線復制到PCB的所有層，以確保接線的總和至少達到20A。

圖4.物理接觸和電流處理能力

  過孔和連接

  圖5顯示了一個過孔示例，該示例正在連接控制器的多個PCB電源層。如果您選擇1A過孔，但需要2A電流，軌道寬度必須能夠攜帶2A電流，且過孔連接必須能夠處理電流。圖5中所示的示例至少需要兩個過孔(如果空間允許，最好是三個)，以便將電流連接到電源層。這個問題經(jīng)常被忽視，通常只使用一個過孔來連接。連接完成后，過孔將用作保險絲，熔斷并斷開相鄰層的電源連接。由于熔斷器的過孔難以注意或被其他設備覆蓋，因此在設計不良的過孔后期難以改進和解決。

圖5.過孔連接

  請注意以下關于穿孔和PCB軌道的參數(shù)：軌道寬度、穿孔尺寸和電氣參數(shù)受到幾個因素的影響，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設計技術沒有考慮到這些依賴關系，但設計師在確定布局參數(shù)時需要注意這些。目前，許多PCB軌道/穿孔計算器都可以在線使用。完成原理圖設計后，設計師最好咨詢PCB制造商或布局工程師。

  避免過熱

  有很多因素會導致發(fā)熱，比如外殼、氣流等。，但這一節(jié)主要討論暴露的焊盤。帶有外露焊盤的控制器，如LTC3533、ADP5304、ADP2386、ADP5054等。，如果正確連接到電路板上，它們的熱阻會更低。一般來說，如果控制器IC的功率MOSFET放置在裸片中(即整片)，那么IC的焊盤通常會暴露出來進行散熱。如果轉(zhuǎn)換器IC采用外部功率MOSFET(控制器IC)運行，則控制IC通常不需要使用外露焊盤，因為其主要制熱源(功率MOSFET)本身就在IC之外。

  一般來說，這些外露的焊盤必須焊接到PCB地板上才能有效。根據(jù)IC的不同，也有一些例外，一些控制器會指出它們可以連接到隔離的焊盤PCB區(qū)域作為散熱器進行散熱。如果不確定，請參考相關部件的數(shù)據(jù)表。

  當你將暴露的焊盤連接到PCB平面或隔離區(qū)時，(a)確保這些孔(許多排列)連接到地面進行散熱(傳熱)。對于多層PCB接地層，建議將焊盤下方所有層的接地層通過過孔連接在一起。

  請注意，關于外露焊盤的討論與控制器有關。在其他IC中使用外露焊盤可能需要非常不同的處理方法。

  結論與總結

  從成本、效率、效率和PCB面積的各個方面來看，設計低噪聲、不會因軌道或過孔燃燒而影響系統(tǒng)電路電源是一個挑戰(zhàn)。本文強調(diào)了一些設計師可能會忽略的地方，例如使用電力預算分析構建電力樹，以支持所有后端負載。

  原理圖和模擬只是設計的第一步，其次是設備定位和路由技術的謹慎。過孔、軌道和載流能力必須滿足要求并接受評估。如果接口位置有開關噪聲，或開關噪聲到達IC的功率引腳，系統(tǒng)電路將異常，難以隔離和排除故障。