在本文中,將重點介紹功率預算和電路板布局的各種細節。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健設計至關重要。多年的臺式經驗會有所幫助,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,但在全速模式下或開始出現不穩定數據時(已排除噪聲和干擾時)則不然。
在分接級聯階段時避免電流限制情況。圖2顯示了一個典型的級聯應用:圖中顯示了一個由ADP5304降壓穩壓器(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穩壓器用于進一步調節至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典隱藏問題的系統。系統在正常情況下工作正常。但是當系統初始化并開始全速運行時就會出現問題——例如,當微處理器和/或ADC開始高速采樣時。由于沒有穩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定行為。由于PSU1,電流可能會開始限制,或者更糟的是,某些穩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壓器之前,請創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。使用電源樹系統設計工具,可以輕松創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。
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??偨M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:走線寬度、過孔尺寸和電氣參數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。
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,帶有裸露焊盤的穩壓器的熱阻較低。一般而言,如果穩壓器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IC的不同,也有例外,因為一些規定它們可以連接到隔離的焊接PCB區域,作為散熱片的散熱片。如果不確定,請參閱相關部件的數據表。
當您將裸露焊盤連接到PCB平面或隔離區域時,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。
以上就是英銳恩單片機開發工程師分享的“多軌電源設計的布局與技巧”。英銳恩專注單片機應用方案設計與開發,提供8位單片機、16位單片機、32位單片機。