一文了解PCB電源如何布置

高速電子系統(tǒng)一個(gè)成功的設(shè)計(jì)，必須要求工程師透徹掌握芯片、封裝結(jié)構(gòu)及PCB的電源供電系統(tǒng)特性。為了滿(mǎn)足更低的供電電壓、更快的信號(hào)翻轉(zhuǎn)速度、更高的集成度和許多越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性的要求，而且集成電路的供電電壓將會(huì)持續(xù)降低電壓會(huì)降到1.2V，甚至更低，從而增加電流。隨著越來(lái)越多的生產(chǎn)廠家也從130nm技術(shù)轉(zhuǎn)向90nm技術(shù)。從直流IR壓降到交流動(dòng)態(tài)電壓波動(dòng)控制來(lái)看，由于允許的噪聲范圍越來(lái)越小，這種發(fā)展趨勢(shì)給電源供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。PCB電源供電系統(tǒng)在對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)，PCB設(shè)計(jì)占據(jù)很重要的地位。一個(gè)差的PCB，EMC性能差、輸出噪聲大、抗干擾能力弱，甚至連基本功能都有缺陷。下面我們主要從PCB的分層、電源板層平面的形狀、元器件的布局、過(guò)孔的分布等等，來(lái)談?wù)勲娫吹牟贾谩?/p>

1、間距

對(duì)于高電壓產(chǎn)品必須要考慮到線(xiàn)間距。能滿(mǎn)足相應(yīng)安規(guī)要求的間距當(dāng)然最好，但很多時(shí)候?qū)τ诓恍枰?a target="_blank">認(rèn)證，或沒(méi)法滿(mǎn)足認(rèn)證的產(chǎn)品，間距就由經(jīng)驗(yàn)決定了。生產(chǎn)能否保證板面清潔、環(huán)境濕度、其他污染等情況如何。

總的來(lái)說(shuō)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，越遠(yuǎn)越好。最小距離則要考慮最大壓差情況下的放電間距，并乘以足夠的保護(hù)系數(shù)

3、環(huán)路面積

無(wú)論是輸入或是輸出、功率環(huán)路或信號(hào)環(huán)路，應(yīng)盡可能的小。功率環(huán)路發(fā)射電磁場(chǎng)，將導(dǎo)致較差的EMI特性或較大的輸出噪聲;同時(shí)，若被控制環(huán)接收，很可能引起異常。

另一方面，若功率環(huán)路面積較大，其等效寄生電感也會(huì)增大，可能增加漏極噪聲尖峰。

4、關(guān)鍵走線(xiàn)

因di/dt 作用，必須減小動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)處電感，否則會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場(chǎng)。若要減小電感，主要是要減少布線(xiàn)的長(zhǎng)度，增加寬度作用較小。

5、信號(hào)線(xiàn)

對(duì)于整個(gè)控制部分，布線(xiàn)時(shí)應(yīng)考慮將其遠(yuǎn)離功率部分。若因其他限制兩者靠得較近，不應(yīng)將控制線(xiàn)與功率線(xiàn)并行，否則可能導(dǎo)致電源工作異常、震蕩。并且在走線(xiàn)的同時(shí)要減少過(guò)孔。

另外若控制線(xiàn)很長(zhǎng)，應(yīng)該將來(lái)回的一對(duì)線(xiàn)的靠近，或?qū)⒍咧糜赑CB的兩個(gè)面上并正對(duì)著，從而減小其環(huán)路面積，避免被功率部分的電磁場(chǎng)干擾。我們遵循45°/135°折線(xiàn)原則，如圖2說(shuō)明了A、B兩點(diǎn)間，正確與錯(cuò)誤的信號(hào)線(xiàn)布線(xiàn)方法。

7、映射

對(duì)于一個(gè)回路，可以在PCB的一面進(jìn)行鋪銅，它會(huì)根據(jù)PCB另一面的布線(xiàn)自動(dòng)映射，使這個(gè)回路的阻抗最小。這就好像一組不同阻抗值的阻抗并聯(lián)，電流會(huì)自動(dòng)選擇阻抗最小的路徑流過(guò)一樣。

事實(shí)上可以在控制部分電路的一面進(jìn)行連線(xiàn)，而在另一面對(duì)“地”節(jié)點(diǎn)鋪銅，兩個(gè)面間通過(guò)過(guò)孔連接。

8、輸出整流二極管

選擇開(kāi)關(guān)電源時(shí)要注意開(kāi)關(guān)電源工作頻率比一般的工頻頻率高，通常在40KHz左右，因此其整流輸出二極管不能用普通的低頻二極管，因?yàn)槠胀ǖ皖l二極管最高工作頻率fm為3kHz，這樣會(huì)造成壓降過(guò)大，整流效率降低，二極管過(guò)熱等。例如：IN4007在開(kāi)關(guān)電源的輸出二極管通常選擇快恢復(fù)型二極管，其工作頻率可到100KHz以上，提高了開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率，降低了損耗。例如肖特基二極管，F(xiàn)R系列二極管等。

輸出整流二極管若離輸出端比較近，不應(yīng)將其與輸出平行放置。否則二極管處產(chǎn)生的電磁場(chǎng)將穿入電源輸出與外接負(fù)載形成的環(huán)路，使測(cè)得的輸出噪聲增大。

9、地線(xiàn)

地線(xiàn)的布線(xiàn)必須非常小心，否則可能引起EMS、EMI性能和其他性能變差。主要接地方法有以下3種

單點(diǎn)接地：所有電路的地線(xiàn)接到地線(xiàn)平面的同一點(diǎn)，分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。多點(diǎn)接地：所有電路的地線(xiàn)就近接地，地線(xiàn)很短適合高頻接地?；旌辖拥兀簩吸c(diǎn)接地和多點(diǎn)接地混合使用。

10.Y電容

輸入輸出經(jīng)常會(huì)接入Y電容，有時(shí)因某些原因，可能無(wú)法將其掛在輸入電容地上，此時(shí)切記，一定要接在靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，如高壓端。

11.其他

實(shí)際電源PCB設(shè)計(jì)時(shí)，可能還要考慮其他一些問(wèn)題，例如“壓敏電阻應(yīng)緊靠被保護(hù)電路”、“共模電感應(yīng)增加放電齒”、“芯片VCC供電處應(yīng)增加瓷片電容”等等。另外，是否需特殊處理，如銅箔、屏蔽等，在PCB設(shè)計(jì)階段也是需要考慮的。

有時(shí)往往會(huì)遇到多個(gè)原則相互沖突的情況，滿(mǎn)足其中一個(gè)就滿(mǎn)足不了其他的，這是需要工程師應(yīng)用已有的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，確定最合適的布線(xiàn)了！

12.總結(jié)

為打造高穩(wěn)定的產(chǎn)品，在硬件設(shè)計(jì)中需要的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)是很多的，本文僅是介紹硬件中的最為常見(jiàn)的電源設(shè)計(jì)。為使整體產(chǎn)品或系統(tǒng)擁有穩(wěn)定、可靠的供電，大部分工程師會(huì)選擇電源模塊作為系統(tǒng)供電的基礎(chǔ)。

致遠(yuǎn)電子自主研發(fā)、生產(chǎn)的隔離電源模塊已有近20年的行業(yè)積累，目前產(chǎn)品具有寬輸入電壓范圍，隔離1000VDC、1500VDC、3000VDC及6000VDC等多個(gè)系列，封裝形式多樣，兼容國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的SIP、DIP等封裝。同時(shí)致遠(yuǎn)電子為保證電源產(chǎn)品性能建設(shè)了行業(yè)內(nèi)一流的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，配備最先進(jìn)、齊全的測(cè)試設(shè)備，全系列隔離DC-DC電源通過(guò)完整的EMC測(cè)試，靜電抗擾度高達(dá)4KV、浪涌抗擾度高達(dá)2KV，可應(yīng)用于絕大部分復(fù)雜惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，為用戶(hù)提供穩(wěn)定、可靠的電源隔離解決方案。