多軌電源設計的布局與技巧分享

在本文中，將重點介紹功率預算和電路板布局的各種細節(jié)。由于許多應用板需要多個電源軌，因此本系列研究了多電源板解決方案。目標是通過良好的組件布局和布線實現(xiàn)高質量的初始設計，以突出一些功率預算和布線技巧和竅門。

電源設計可分為三個主要階段：（1）設計策略和IC選擇；（2）原理圖設計、仿真和測試；（3）布局和布線。在（1）設計和（2）仿真階段投入時間可以證明設計概念的有效性，但真正的測試需要將它們放在一起并在臺式機上進行測試。在本文中，主要講解怎么布線。

在電源設計中，仔細的布局和布線對于在尺寸、精度、效率和避免生產問題方面具有足夠裕量的穩(wěn)健設計至關重要。多年的臺式經(jīng)驗會有所幫助，因此在電路板制造的最終完成方面依靠布局工程師的知識。

設計可能在紙面上看起來很可靠（即從原理圖的角度來看），甚至可以毫無問題地進行模擬，但真正的測試是在布局、PCB制造和通過加載電路進行原型應力測試之后。本節(jié)通過使用真實的設計示例重點介紹一些避免陷阱的技巧和竅門。一些重要的概念有助于避免可能導致重新設計和/或PCB重新設計的設計缺陷和其他陷阱。圖1顯示了如果設計在沒有仔細測試和裕量分析的情況下進入生產階段，成本會如何迅速上升。

功率預算

注意在正常條件下按預期運行的系統(tǒng)，但在全速模式下或開始出現(xiàn)不穩(wěn)定數(shù)據(jù)時（已排除噪聲和干擾時）則不然。

在分接級聯(lián)階段時避免電流限制情況。圖2顯示了一個典型的級聯(lián)應用：圖中顯示了一個由ADP5304降壓穩(wěn)壓器（PSU1）組成的設計，可產生最大電流為500mA的3.3V電源。為提高效率，設計人員應接上3.3V電源軌而不是輸入的5V電源。3.3V輸出進一步分流為PSU2（LT1965）供電，該LDO穩(wěn)壓器用于進一步調節(jié)至2.5V，最大輸出電流為1.1A，符合板載2.5V電路和IC的要求。

這是一個帶有一些經(jīng)典隱藏問題的系統(tǒng)。系統(tǒng)在正常情況下工作正常。但是當系統(tǒng)初始化并開始全速運行時就會出現(xiàn)問題——例如，當微處理器和/或ADC開始高速采樣時。由于沒有穩(wěn)壓器可以在其輸出端產生比輸入端更多的功率，因此在圖2a中，VOUT1處的最大功率（P=V×I）為3.3V×0.5A=1.65W，以向組合電路VOUT1和VOUT12。這假定效率為100%，因此由于電源損耗，可用功率較少。假設2.5V電源軌的最大可用功率為2.75W。如果電路試圖要求如此大的功率，它們將不會得到滿足，從而導致PSU1開始達到電流限制時的不穩(wěn)定行為。由于PSU1，電流可能會開始限制，或者更糟的是，某些穩(wěn)壓器會因過流而完全關閉。

如果在成功排除故障后實施圖2a，則可能需要更換更高的功率調節(jié)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計和重新設計PCB。通過在設計概念階段之前牢記功率預算，可以避免潛在的項目延遲時間表（見圖1）。

考慮到這一點，在選擇一個或多個穩(wěn)壓器之前，請創(chuàng)建一個切合實際的功率預算。包括所有所需的電源軌：2.5V、3.3V、5V等。包括所有上拉電阻、分立器件和每個軌消耗功率的IC。使用這些值并反向計算您的電源需求，如圖2b所示。使用電源樹系統(tǒng)設計工具，可以輕松創(chuàng)建支持所需功率預算的電源樹。

布局、跟蹤和布線

正確的布局、走線和布線可避免由于走線寬度錯誤、過孔錯誤、引腳（連接器）數(shù)量不足、接觸尺寸錯誤等導致走線燒毀導致的電流容量限制。以下部分包括一些值得注意的一些PCB設計技巧。

連接器和排針

將圖2中所示的示例擴展到17A的總電流，設計人員必須考慮引腳（或多個引腳）處的電流處理接觸能力，如圖3所示。通常，引腳或觸點的載流能力取決于幾個因素，例如物理引腳尺寸（接觸面積）、金屬成分等。直徑為1.1mm1的典型通孔公頭引腳約為3A。如果需要17A，請確保您的設計有足夠的電流引腳來處理總電流承載能力。這很容易通過乘以每個導體（或觸點）的載流能力和一些安全裕度來超過PCB電路的總電流消耗來實現(xiàn)。

在本例中，要達到17A需要6個引腳（具有1A裕量）。VCC和GND總共需要12個引腳。要減少觸點數(shù)量，請考慮使用電源插孔或更大的觸點。

走線

使用可用的在線PCB工具來幫助確定布局中的當前能力。具有1.27毫米走線寬度的1盎司銅PCB產生大約3A的載流能力，而3毫米走線寬度產生大約5A的載流能力。留出一些凈空，20A軌道需要19毫米（約20毫米）的寬度（請注意，此示例中未考慮溫度升高）。從圖3中可以看出，由于用于PSU和系統(tǒng)電路的空間限制，20毫米的軌道寬度是不可行的。為了解決這個問題，一個簡單的解決方案是使用多個PCB層。減少走線寬度（例如，減少到3毫米）并將這些走線復制到PCB中的所有可用層，以確保總組合走線（在所有層中）至少滿足20A的電流能力。

過孔和拼接

圖4顯示了從穩(wěn)壓器縫合PCB電源層的過孔示例。如果選擇了1A過孔并且您的電源要求是2A，則軌道寬度必須能夠承載2A并且過孔縫合也必須能夠處理它。圖4中的示例需要至少兩個過孔（如果空間可用，最好是三個）將電流縫合到電源層。當僅使用單個過孔進行拼接時，這一點通常會被忽略。完成后，通孔就像保險絲一樣，會燒斷并斷開與相鄰平面的電源。設計不足的過孔可能很難排除故障，因為過孔可能不明顯，或者可能很難看到它是否被組件擋住了。

請注意過孔和PCB走線的以下參數(shù)：走線寬度、過孔尺寸和電氣參數(shù)取決于影響最終載流能力的幾個因素，例如PCB電鍍、布線層、工作溫度等。之前的PCB設計技巧并未考慮這些相關性，但設計人員在確定布局參數(shù)時應注意這些。許多PCB走線/過孔計算器可在線獲取。強烈建議設計人員在原理圖設計后咨詢他們的PCB制造商或布局工程師，并牢記這些細節(jié)。

避免過熱

許多因素都可能導致散熱問題，例如外殼、氣流等，但本節(jié)重點介紹裸露的焊盤。如果正確連接到電路板，帶有裸露焊盤的穩(wěn)壓器的熱阻較低。一般而言，如果穩(wěn)壓器IC具有設計在芯片中的功率MOSFET（即它是單片的），則該IC通常具有用于散熱的裸露焊盤。如果轉換器IC使用外部功率MOSFET（它是控制器IC）運行，那么控制IC通常不需要外露焊盤，因為主要的熱源（功率MOSFET）在IC外部。

通常，這些裸露的焊盤必須焊接到PCB地平面上才能有效。根據(jù)IC的不同，也有例外，因為一些規(guī)定它們可以連接到隔離的焊接PCB區(qū)域，作為散熱片的散熱片。如果不確定，請參閱相關部件的數(shù)據(jù)表。

當您將裸露焊盤連接到PCB平面或隔離區(qū)域時，確保將這些過孔（其中許多是陣列形式）連接到接地平面以進行散熱（熱傳遞）。對于多層PCB接地平面，建議將焊盤下方所需的接地平面（在所有層上）與過孔連接在一起。