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  在電源設(shè)計(jì)中，精心的布局和布線對(duì)于實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)非常重要。為了避免生產(chǎn)中的問(wèn)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(cè)試經(jīng)驗(yàn)和布局工程師的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，最終完成電路板的生產(chǎn)。

  精心設(shè)計(jì)的效率

  從圖紙上看，設(shè)計(jì)可能沒(méi)有問(wèn)題(也就是說(shuō)，從原理圖的角度來(lái)看)，甚至在模擬過(guò)程中也沒(méi)有問(wèn)題，但真正的測(cè)試實(shí)際上是在布局、PCB制造和通過(guò)加載電路進(jìn)行原型制造應(yīng)力測(cè)試之后。在這一部分中，使用真實(shí)的設(shè)計(jì)示例介紹了一些技巧，以幫助避免陷阱。我們將介紹幾個(gè)重要的概念，以幫助避免設(shè)計(jì)缺陷和其他陷阱，以避免未來(lái)需要重新設(shè)計(jì)和/或重新制作PCB。圖1顯示了設(shè)計(jì)進(jìn)入生產(chǎn)后如何導(dǎo)致成本快速上升，而無(wú)需詳細(xì)測(cè)試和余量分析。

  圖1.當(dāng)生產(chǎn)的電路板出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，成本可能會(huì)迅速上升。

  功率預(yù)算

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

  退出級(jí)聯(lián)階段時(shí)，應(yīng)避免流量限制。圖2顯示了一個(gè)典型的級(jí)聯(lián)應(yīng)用程序:(A)顯示了由ADP5304降壓穩(wěn)壓器(PSU1)組成的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生3.3V電源，電流最大為500mA。為了提高效率，設(shè)計(jì)者應(yīng)將3.3V電軌分開(kāi)，而不是5V輸入電源。3.3V輸出被進(jìn)一步切斷，以為PSU2(LT1965)供電，這款LDO穩(wěn)壓器用于進(jìn)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(gè)系統(tǒng)有一些典型的隱藏問(wèn)題。正常情況下可以正常運(yùn)行。然而，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)——問(wèn)題就出現(xiàn)了。由于沒(méi)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(shè)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(dāng)PSU1開(kāi)始限制流量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的行為。由于PSU1，電流可能會(huì)受到限制，更糟糕的是，一些控制器會(huì)因?yàn)檫^(guò)流而完全關(guān)閉。

  如果圖2a在成功故障排除后實(shí)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(shè)備進(jìn)行更換;在最壞的情況下，PCB需要完全重新設(shè)計(jì)和制造。如果在概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始前可以考慮電源預(yù)算，則可以避免潛在的項(xiàng)目計(jì)劃延遲(見(jiàn)圖1)。

  考慮到這一點(diǎn)，首先創(chuàng)建一個(gè)真實(shí)的功率預(yù)算，然后選擇一個(gè)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(huì)消耗每個(gè)軌道的功率。使用這些值反向工作，以估計(jì)您需要的電源，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)建一個(gè)電源樹(shù)，以支持所需的功率預(yù)算。

圖2.避免電力樹(shù)中的限流設(shè)計(jì)缺陷

圖3.LTpowerPlaner電源樹(shù)

  布局和布線

  正確的布局和接線可以避免由于接線寬度錯(cuò)誤、通孔錯(cuò)誤、引腳(連接器)數(shù)量不足、接觸點(diǎn)尺寸錯(cuò)誤而導(dǎo)致軌道燃燒，從而導(dǎo)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(shè)計(jì)技能。

  連接器和引腳接頭

  如圖2所示例的總電流擴(kuò)展到17A，設(shè)計(jì)者必須考慮引腳的電流處理接觸能力，如圖4所示。一般來(lái)說(shuō)，引腳或接觸點(diǎn)的載流能力受幾個(gè)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(guò)孔凸引腳的電流約為3A。如果你需要17A，你應(yīng)該確保你的設(shè)計(jì)有足夠的引腳來(lái)處理整體載流能力。這可以通過(guò)增加每個(gè)導(dǎo)體(或接觸點(diǎn))的載流能力來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)，并保留一定的安全裕度，使其載流能力超過(guò)PCB電路的總電流能力。在本例中，需要實(shí)現(xiàn)17A需要6個(gè)引腳，并且有1個(gè)以上的V(G)總共有1個(gè)以下)。C和ND需要12個(gè)引腳。為了減少接觸點(diǎn)的數(shù)量，可以考慮使用電源插座或更大的接觸點(diǎn)。

  布線

  使用可用的在線PCB工具來(lái)幫助確定布局的電流容量。當(dāng)電軌寬度為3毫米時(shí)，一盎司銅PCB的載流容量約為3A，當(dāng)電軌寬度為3毫米時(shí)，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(dá)到19毫米(約20毫米)(請(qǐng)注意，這個(gè)例子沒(méi)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(wú)法實(shí)現(xiàn)。要解決這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)簡(jiǎn)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(fù)制到PCB的所有層，以確保接線的總和至少達(dá)到20A。

圖4.物理接觸和電流處理能力

  過(guò)孔和連接

  圖5顯示了一個(gè)過(guò)孔示例，該示例正在連接控制器的多個(gè)PCB電源層。如果您選擇1A過(guò)孔，但需要2A電流，軌道寬度必須能夠攜帶2A電流，且過(guò)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(gè)過(guò)孔(如果空間允許，最好是三個(gè))，以便將電流連接到電源層。這個(gè)問(wèn)題經(jīng)常被忽視，通常只使用一個(gè)過(guò)孔來(lái)連接。連接完成后，過(guò)孔將用作保險(xiǎn)絲，熔斷并斷開(kāi)相鄰層的電源連接。由于熔斷器的過(guò)孔難以注意或被其他設(shè)備覆蓋，因此在設(shè)計(jì)不良的過(guò)孔后期難以改進(jìn)和解決。

圖5.過(guò)孔連接

  請(qǐng)注意以下關(guān)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(gè)因素的影響，如PCB涂層、路由層、工作溫度等。這些因素最終會(huì)影響載流能力。以前的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)沒(méi)有考慮到這些依賴關(guān)系，但設(shè)計(jì)師在確定布局參數(shù)時(shí)需要注意這些。目前，許多PCB軌道/穿孔計(jì)算器都可以在線使用。完成原理圖設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)師最好咨詢PCB制造商或布局工程師。

  避免過(guò)熱

  有很多因素會(huì)導(dǎo)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(pán)。帶有外露焊盤(pán)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(huì)更低。一般來(lái)說(shuō)，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(pán)通常會(huì)暴露出來(lái)進(jìn)行散熱。如果轉(zhuǎn)換器IC采用外部功率MOSFET(控制器IC)運(yùn)行，則控制IC通常不需要使用外露焊盤(pán)，因?yàn)槠渲饕茻嵩?功率MOSFET)本身就在IC之外。

  一般來(lái)說(shuō)，這些外露的焊盤(pán)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(huì)指出它們可以連接到隔離的焊盤(pán)PCB區(qū)域作為散熱器進(jìn)行散熱。如果不確定，請(qǐng)參考相關(guān)部件的數(shù)據(jù)表。

  當(dāng)你將暴露的焊盤(pán)連接到PCB平面或隔離區(qū)時(shí)，(a)確保這些孔(許多排列)連接到地面進(jìn)行散熱(傳熱)。對(duì)于多層PCB接地層，建議將焊盤(pán)下方所有層的接地層通過(guò)過(guò)孔連接在一起。

  請(qǐng)注意，關(guān)于外露焊盤(pán)的討論與控制器有關(guān)。在其他IC中使用外露焊盤(pán)可能需要非常不同的處理方法。

  結(jié)論與總結(jié)

  從成本、效率、效率和PCB面積的各個(gè)方面來(lái)看，設(shè)計(jì)低噪聲、不會(huì)因軌道或過(guò)孔燃燒而影響系統(tǒng)電路電源是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文強(qiáng)調(diào)了一些設(shè)計(jì)師可能會(huì)忽略的地方，例如使用電力預(yù)算分析構(gòu)建電力樹(shù)，以支持所有后端負(fù)載。

  原理圖和模擬只是設(shè)計(jì)的第一步，其次是設(shè)備定位和路由技術(shù)的謹(jǐn)慎。過(guò)孔、軌道和載流能力必須滿足要求并接受評(píng)估。如果接口位置有開(kāi)關(guān)噪聲，或開(kāi)關(guān)噪聲到達(dá)IC的功率引腳，系統(tǒng)電路將異常，難以隔離和排除故障。