你是否考慮過(guò)如何在復(fù)雜的PCB中傳輸功率？是的，對(duì)于PCB設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)一個(gè)電源以向每個(gè)PCB組件（IC，發(fā)射器，電容器等）提供所需的電源是一項(xiàng)艱巨的工作，因?yàn)槊總€(gè)組件的電源要求都不同。只有完善的電源設(shè)計(jì)才能幫助克服這一挑戰(zhàn)。

隨著電路設(shè)計(jì)密度和復(fù)雜度的增加，電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也得到了放大。為PCB設(shè)計(jì)人員提供了PCB電源設(shè)計(jì)和布局的幾種可能性。盡管PCB電源設(shè)計(jì)的多樣性，設(shè)計(jì)人員必須遵循某些規(guī)則并處理與之相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題。

電源設(shè)計(jì)中要處理的一些常見(jiàn)問(wèn)題包括EMI，用于處理大電流的走線設(shè)計(jì)，減少電流環(huán)路，選擇組件以及遵循數(shù)據(jù)表的布局 建議。

在本文中，我們將介紹以下主題：

PCB電源設(shè)計(jì)

PCB電源的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

選擇合適的PCB電源穩(wěn)壓器

電源的熱管理

接地層和電源層，可提供更好的PCB電源

去耦電容器和旁路電容器

EMI濾波

輸電系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

電源完整性（PI）

PCB電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)的目的不僅僅是將電源從交流轉(zhuǎn)換為直流。電源的功能是以正確的電壓和電流向電路組件供電。將來(lái)，電壓通常低至1.8V和1.2V的器件。低壓會(huì)降低電源噪聲的容忍度。

電源還要求電流限制以限制最大電流。因此，電源的重要參數(shù)是電壓，最大電流，電壓紋波和最大電流下的熱損耗。

顯示了用于電源的電子電路的典型功率流。電子電路需要1.8V至12V的電壓。1.2V，1.8V，3.3V，5V和12V是最常用的電壓。

在第一階段，將230VAC / 110VAC的輸入AC電壓轉(zhuǎn)換為6-12V范圍內(nèi)的隔離DC電壓。第二階段采用降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，將6-12V轉(zhuǎn)換為5V或3.3V。此外，使用LDO（低壓差穩(wěn)壓器）將3.3V轉(zhuǎn)換為1.8V或1.2V。

在開關(guān)電源（SMPS –開關(guān)電源）問(wèn)世之前，鐵芯變壓器用于將230VAC / 110VAC高壓轉(zhuǎn)換為12VAC。進(jìn)一步通過(guò)二極管橋式整流器將其整流為最大約12 x 1.4 = 16.8 VDC的DC電壓。線性穩(wěn)壓器用于將電壓降低到所需水平。這種電路的缺點(diǎn)是功率效率低（低于80％），熱損耗高，PCB占用面積大以及功率紋波差。開關(guān)電源的使用提高了將電壓轉(zhuǎn)換為較低水平的效率，減少了電源的PCB占位面積（尺寸非常小巧，輕巧），并減少了紋波。

在線性穩(wěn)壓器中，由于較高的壓降電壓，以前會(huì)損失大量功率。例如，考慮線性穩(wěn)壓器LM7805。LM7805（5V）通常具有大約7.5V的壓降電壓，要求輸入和輸出電壓之間的最小差值約為2.5V。因此，對(duì)于一個(gè)1A的穩(wěn)壓器，在7.5V輸入時(shí)，穩(wěn)壓器的功耗為2.5V x 1A = 2.5W。使用低壓降穩(wěn)壓器LM1117-5.0時(shí)，壓降電壓為6.2V，要求輸入的輸入電壓為Vout + 1.2V。對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用，可以使用開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO的組合來(lái)提高效率。例如，從第一階段開始，如果有7.5伏可用，則該電壓將通過(guò)降壓轉(zhuǎn)換器降至3.3V，然后使用線性穩(wěn)壓器LM1117-1.8降至1.8V。

PCB電源的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)電源時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須了解電源操作的重要性才能使工作成功。

對(duì)于電源設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要執(zhí)行良好的PCB布局并規(guī)劃有效的配電網(wǎng)絡(luò)。此外，設(shè)計(jì)人員需要確保將嘈雜的數(shù)字電路電源與關(guān)鍵的模擬電路電源和電路分開。下面討論一些要考慮的重要事項(xiàng)：

1. 為PCB電源選擇合適的穩(wěn)壓器

通常，設(shè)計(jì)人員在選擇電源穩(wěn)壓器時(shí)有兩種選擇，即線性穩(wěn)壓器和開關(guān)模式穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器提供低噪聲輸出，但具有較高的散熱量，因此需要冷卻系統(tǒng)。開關(guān)模式穩(wěn)壓器在很寬的電流范圍內(nèi)都非常高效，但是開關(guān)噪聲會(huì)引起尖峰響應(yīng)。

甲線性模式要求的輸入電壓大于所需的輸出電壓更高，因?yàn)閷⒂须妷旱淖钚翰睢＞€性穩(wěn)壓器將具有相當(dāng)大的功率損耗和散熱，這會(huì)使線性穩(wěn)壓器的效率降低。如果要為PCB設(shè)計(jì)考慮線性穩(wěn)壓器，則必須考慮具有低壓差的穩(wěn)壓器，并且必須在進(jìn)行制造之前進(jìn)行熱分析。除此之外，線性模式調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)單，便宜，并提供了無(wú)噪音的電壓輸出。

所述開關(guān)調(diào)節(jié)器通過(guò)在電感器暫時(shí)存儲(chǔ)能量，然后在不同的切換時(shí)間不同的電壓釋放該能量一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成另一種。在這種電源中，使用了快速開關(guān)MOSFET。這些高效調(diào)節(jié)器的輸出可通過(guò)更改脈沖寬度調(diào)制（PWM）的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。效率取決于電路的散熱，在這種情況下散熱很低。

開關(guān)穩(wěn)壓器的PWM開關(guān)會(huì)在輸出中引起噪聲或紋波。開關(guān)電流會(huì)導(dǎo)致其他信號(hào)中的噪聲串?dāng)_。因此，開關(guān)電源需要與關(guān)鍵信號(hào)隔離。

開關(guān)穩(wěn)壓器使用MOSFET技術(shù)，因此很明顯，這些穩(wěn)壓器會(huì)發(fā)出EMI（電磁干擾）噪聲。我們無(wú)法完全消除任何電路中的EMI，但是可以通過(guò)減少EMI的措施（例如濾波，減少電流環(huán)路，接地層和屏蔽）來(lái)將其最小化。在您的設(shè)計(jì)中加入開關(guān)模式調(diào)節(jié)器之前，應(yīng)考慮電磁兼容性（EMC）措施。

在選擇穩(wěn)壓器時(shí)，線性和開關(guān)穩(wěn)壓電源是兩個(gè)顯而易見(jiàn)的選擇。線性控制電源較為便宜，但效率低下，并且會(huì)散發(fā)更多熱量。同時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓電源更昂貴，并且需要連接更多的無(wú)源元件，這不容易產(chǎn)生大量熱量。

2. 電源的熱管理

電源的性能直接取決于散熱。每當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，大多數(shù)電子組件都會(huì)發(fā)熱。散發(fā)的熱量取決于組件的功率水平，特性和阻抗。如前所述，選擇合適的穩(wěn)壓器可以減少電路的散熱。開關(guān)穩(wěn)壓器的散熱量較小，因此效率很高。

電子電路在較低溫度下更有效地工作。為確保器件在環(huán)境溫度下工作，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)睦鋮s方法。

如果設(shè)計(jì)者選擇的是線性穩(wěn)壓器，則在系統(tǒng)允許的情況下，建議使用散熱器或其他冷卻方法。風(fēng)扇可以集成到設(shè)計(jì)中，以確保在設(shè)備散熱很高的情況下進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

整個(gè)PCB的散熱可能不均勻。具有高額定功率的組件可能會(huì)散發(fā)大量熱量，從而在其周圍產(chǎn)生熱點(diǎn)。可以在這些組件附近使用散熱孔，以快速將熱量從該區(qū)域轉(zhuǎn)移出去。

散熱技術(shù)和冷卻方法的結(jié)合可以創(chuàng)建高效的電源設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可以使用傳導(dǎo)冷卻方法（例如散熱器，熱管，散熱孔），也可以使用對(duì)流冷卻方法（例如冷卻風(fēng)扇，熱電冷卻器等）。

3. 接地層和電源層，以改善PCB電源

接地層和電源層是用于電力傳輸?shù)牡妥杩孤窂健ｋ娫葱枰獑为?dú)的接地層來(lái)分配電源，降低EMI，最小化串?dāng)_并降低電壓降。電源平面專用于將電源傳輸?shù)絇CB的所需區(qū)域。

PCB設(shè)計(jì)人員需要分別處理接地網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)部分。在多層PCB中，一層或多層可以專門用于接地層和電源層。而且，它們可以通過(guò)在兩個(gè)有源信號(hào)層之間放置接地層來(lái)減少干擾和串?dāng)_，從而有效地將信號(hào)走線與地面相連。

4. 去耦電容器和旁路電容器

當(dāng)全板上向組件分配電源時(shí)，不同的有源組件將導(dǎo)致接地彈跳和電源軌中的振鈴。這可能導(dǎo)致組件電源引腳附近的電壓下降。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員在組件的電源引腳附近使用去耦和旁路電容器，以使器件的電流需求出現(xiàn)短暫的尖峰。

去耦背后的概念是降低電源與地之間的阻抗。去耦電容器用作次級(jí)電源，提供IC所需的電流。并充當(dāng)本地電荷源以支持切換事件。

旁路電容器可繞過(guò)噪聲并減少電源總線中的波動(dòng)。它們放置在靠近器件或IC的位置，并鏈接在電源和地之間，以補(bǔ)償許多IC同時(shí)切換時(shí)電源和地平面電位的變化。

旁路電容器用于抑制電網(wǎng)內(nèi)的系統(tǒng)間或系統(tǒng)內(nèi)噪聲。所有去耦電容器必須靠近IC的電源引腳連接，另一端直接連接至低阻抗接地層。需要短走線到去耦電容器和接地通孔，以最大程度地減少此連接的串聯(lián)電感。

選擇本地旁路電容器時(shí)，需要考慮幾個(gè)方面。這些因素包括選擇正確的電容器值，介電材料，幾何形狀和電容器相對(duì)于IC的位置。去耦電容器的典型值為0.1μF陶瓷電容。

5. EMI濾波

EMI輻射可能來(lái)自任何進(jìn)出電源外殼的電源線。PCB設(shè)計(jì)人員期望電源將其EMI保持在其定義的頻譜極限以下。因此，在電源輸入點(diǎn)使用了EMI濾波器以減少傳導(dǎo)噪聲。

EMI濾波器的體系結(jié)構(gòu)使其可以阻止高頻噪聲。設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)布置濾波器電路組件，以防止組件將能量轉(zhuǎn)移到連接它們的走線中，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

6.供電系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

當(dāng)電源突然加載時(shí)，例如從空載到滿載，電壓輸出將趨于短暫下降并恢復(fù)到正常電壓。在某些情況下，在電壓穩(wěn)定到正常水平之前，輸出將振蕩一段時(shí)間。如果振蕩超出設(shè)計(jì)極限，則有必要調(diào)整輸出電容器和補(bǔ)償電容器。例如，對(duì)于LM7805，建議在輸出引腳旁邊放置一個(gè)0.1μF電容器。同樣，調(diào)節(jié)器突然卸載可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)沖和振蕩。

為了從電路設(shè)計(jì)中獲得更好的響應(yīng)，請(qǐng)確保所選的組件在設(shè)計(jì)限制之內(nèi)。無(wú)論電路是交流還是直流，它們的響應(yīng)都不同。交流和直流電路應(yīng)分開考慮。

7.電源完整性（PI）

設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保電源設(shè)計(jì)的電源完整性。電源完整性只是傳遞到電路的電源質(zhì)量。這是對(duì)功率從系統(tǒng)到系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載的傳輸效率的度量，它確保為所有電路和設(shè)備提供適當(dāng)?shù)墓β剩瑥亩鴮?shí)現(xiàn)所需的電路性能。

噪聲較小的電源可確保更高的電源完整性，電源完整性設(shè)計(jì)的核心是管理電源噪聲。 有一些仿真工具可幫助估算電路的電能質(zhì)量。此類工具有助于估計(jì)電壓降，建議使用去耦電容器，還可以識(shí)別電路中大電流的熱點(diǎn)。

結(jié)論

良好的電源是電子設(shè)備準(zhǔn)確運(yùn)行的關(guān)鍵。如我們所見(jiàn)，PCB設(shè)計(jì)人員在考慮電源設(shè)計(jì)時(shí)有多種選擇。考慮到這些因素，選擇穩(wěn)壓器，電容器和EMI濾波非常重要。類似地，在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)也應(yīng)考慮熱效應(yīng)和負(fù)載響應(yīng)。

同時(shí)，請(qǐng)遵循電源IC數(shù)據(jù)表中提到的建議。走線的厚度和元件的放置在電源設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。
責(zé)任編輯：tzh