設(shè)計(jì)交流直流電源 PCB 的經(jīng)驗(yàn)分享

AC/DC 電源，也稱為 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，是許多電子應(yīng)用的重要組成部分，包括消費(fèi)電子、工業(yè)、機(jī)器人、醫(yī)療和軍事應(yīng)用。

當(dāng)前的趨勢(shì)是電源電壓越來越低(特別是對(duì)于高度集成的數(shù)字設(shè)備)、占用空間越來越小、重量越來越輕、效率越來越高，這就要求從 PCB 開始精確設(shè)計(jì)電源電路。

如今，電子應(yīng)用需要五條或更多條具有不同電氣特性和性能的獨(dú)立電源軌，這種情況十分常見。這些要求使電源的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，電源是電子設(shè)備的第一個(gè)組件，其正確運(yùn)行、可靠性和使用壽命取決于此。

本文將討論工程師在設(shè)計(jì) AC/DC電源PCB 時(shí)面臨的主要問題，例如信號(hào)完整性、電源線完整性、電磁干擾、輸出電壓穩(wěn)定性和熱管理。通過遵循本文提出的一些簡單指導(dǎo)原則，設(shè)計(jì)人員將能夠預(yù)測(cè)這些類型的問題，防止它們對(duì) PCB 設(shè)計(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

AC/DC 電源的類型

當(dāng)設(shè)計(jì)人員選擇最適合項(xiàng)目要求的 AC/DC 電源時(shí)，需要考慮不同的關(guān)鍵因素，包括：

· 類型(定制或集成)：僅基于分立元件或集成調(diào)節(jié)器/轉(zhuǎn)換器(IC)的設(shè)計(jì)

· 技術(shù)：線性或開關(guān)

· 電氣特性：輸入電壓范圍、輸出電壓類型(固定或可變、單輸出或多輸出)、輸出功率、效率等

· 機(jī)械特性：開放式或封閉式、尺寸、重量、冷卻系統(tǒng)等。

關(guān)于第一點(diǎn)，我們可以說，在許多情況下，最佳解決方案是使用集成設(shè)備，它具有多種優(yōu)勢(shì)，包括：簡化項(xiàng)目、減少 BOM 和上市時(shí)間、提供集成保護(hù)和診斷功能。然而，對(duì)于一些高功率、射頻或小眾應(yīng)用，可能需要僅基于分立功率器件的設(shè)計(jì)。

就所使用的技術(shù)而言，選擇線性電源還是開關(guān)電源(也稱為 SMPS，是 Switched Mode Power Supply 的縮寫)取決于具體應(yīng)用的要求。

線性可視為最古老但并非過時(shí)的轉(zhuǎn)換技術(shù)。盡管線性 AC/DC 電源存在一些缺點(diǎn)，例如效率有限以及隨之而來的以熱量形式出現(xiàn)的功率損耗，但它仍成功用于需要高可靠性、低噪音、快速恢復(fù)和反應(yīng)時(shí)間以及可忽略不計(jì)的輻射發(fā)射的應(yīng)用中。

線性電源的一個(gè)重要類別是 LDO(低壓差)穩(wěn)壓器。如果要最大程度地提高 LDO 的效率，必須盡量減少輸入電壓和穩(wěn)壓輸出電壓之間的差值。此外，最好選擇熱阻較低的穩(wěn)壓器，以防止其過熱而超過最佳工作溫度。

開關(guān)電源已成為交流電壓到直流電壓轉(zhuǎn)換的參考標(biāo)準(zhǔn)。這種轉(zhuǎn)換是非線性的，通常以閉環(huán)方式運(yùn)行，即使用反饋信號(hào)來維持調(diào)節(jié)。雖然從效率和調(diào)節(jié)質(zhì)量的角度來看，開關(guān)調(diào)節(jié)器是首選，但它們的設(shè)計(jì)可能很復(fù)雜，因?yàn)樗婕岸鄠€(gè)設(shè)備，其中一些設(shè)備具有大型無源元件(電感器和電容器)，如果放置不正確，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲問題。

盡管 SMPS 電源需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，但它們保證了非常高的效率，超過了最好的線性電源。這可以實(shí)現(xiàn)更好的熱管理。然而，高頻切換的元件會(huì)產(chǎn)生大量的電磁噪聲。這種 EMI 會(huì)影響電信號(hào)的質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致某些元件發(fā)生故障甚至損壞。因此，線性技術(shù)往往是電子醫(yī)療應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室儀器的首選。

布局和布線

在AC/DC電源PCB中，布局起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗苯佑绊憣?duì)電磁干擾的免疫力、信號(hào)和電源完整性、電源效率、熱管理以及相同設(shè)備的可靠性。

此外，良好的布局可提高電源轉(zhuǎn)換效率，將熱量從最熱的組件中帶走，并降低噪聲水平。從這個(gè)意義上講，導(dǎo)電跡線的適當(dāng)尺寸是一個(gè)關(guān)鍵因素，可減少產(chǎn)生的熱量并提高 PCB 在任何負(fù)載條件下的可靠性。布局不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致大電流或輸入和輸出電壓之間差異較大時(shí)出現(xiàn)問題。

一些簡單但有效的路由規(guī)則如下：

· 要連接電源設(shè)備，請(qǐng)使用盡可能短且直的走線

· 避免在走線內(nèi)插入曲線或尖銳邊緣，因?yàn)樗鼈儠?huì)將電場(chǎng)集中在 PCB 的特定點(diǎn)

· 電壓差較大的走線必須適當(dāng)分開

· 避免將高壓走線放置在 PCB 的最內(nèi)層。此外，在最內(nèi)層，最好增加走線之間的距離

· 將承載敏感或高數(shù)據(jù)速率信號(hào)的走線遠(yuǎn)離電源走線和調(diào)節(jié)器，尤其是開關(guān)類型的走線

· 在多層 PCB 中，帶有敏感信號(hào)的走線必須放置在由(可能是實(shí)心的)接地層與包含電源線的層隔開的層上

· 為避免信號(hào)耦合(可能導(dǎo)致噪聲或干擾)，信號(hào)走線不應(yīng)與電源線平行布置，電源線應(yīng)布置在不同層上。如果可能，信號(hào)走線應(yīng)與電源走線成 90° 角交叉，以減少噪聲耦合的影響(見圖 2)

· 將高電流走線放置在最外層。如果無法做到這一點(diǎn)，請(qǐng)使用通孔將多個(gè)層連接在一起。對(duì)于更高的電流，可能需要使用多個(gè)通孔。請(qǐng)注意，直徑為 14 mil 的通孔允許高達(dá) 2A 的電流，直徑為 40 mil 或更大的通孔允許高達(dá) 5A 的電流。

對(duì)于接地平面，請(qǐng)使用實(shí)心、不間斷的區(qū)域或大型多邊形。此類區(qū)域提供低阻抗路徑，能夠分散噪聲并處理高回流。此外，它們還提供了一條將熱量從關(guān)鍵組件散發(fā)出去的路徑。在兩側(cè)放置接地平面有助于吸收輻射 EMI，減少接地環(huán)路噪聲和錯(cuò)誤。

電磁干擾

AC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)必須符合嚴(yán)格的安全和電磁干擾規(guī)定。在這方面，可能需要插入能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的適當(dāng) EMI 濾波器。

一些可能的措施如下：

· 執(zhí)行初始測(cè)試(不添加任何濾波器)以評(píng)估 EMI 產(chǎn)生的影響

· 確定產(chǎn)生最多問題的頻率

· 對(duì)走線的布線采取行動(dòng)，使電源線和敏感信號(hào)盡可能遠(yuǎn)離

· 消除接地環(huán)路

· 作為最后的手段，通過在交流/直流電源的交流輸入端串聯(lián)添加電感元件來設(shè)計(jì)外部濾波器。

PCB 的 PCB 堆疊由 PCB 內(nèi)部各層的配置和排列決定，是決定電路板 EMC 性能的關(guān)鍵因素。事實(shí)上，設(shè)計(jì)良好的堆疊可以減少閉合路徑發(fā)出的輻射(差模輻射)以及與其相連的電纜產(chǎn)生的輻射(共模輻射)。

為了提供足夠的電磁屏蔽并提高對(duì)噪聲和串?dāng)_的免疫力，如果可用空間允許，最好在 PCB 堆疊中引入至少一個(gè)實(shí)心接地層。如果由于空間限制而無法保留整個(gè)層，則可以將覆蓋 PCB 電源組件整個(gè)表面的最小區(qū)域限制在最小范圍內(nèi)。

元件放置

最先放置在 PCB 上的組件是那些承載大電流的組件，因此它們需要最寬的走線。

組成電源PCB 的組件應(yīng)盡可能靠近彼此放置，并應(yīng)適當(dāng)定位以減少走線長度，同時(shí)牢記相關(guān)走線必須盡可能短。

由于走線長度的限制，IC 轉(zhuǎn)換器還必須盡可能靠近其提供電源線的設(shè)備。

在放置元件時(shí)還必須考慮散熱問題，優(yōu)先考慮電源設(shè)備散熱充分且最佳的位置。建議從電源的重要部件開始，例如轉(zhuǎn)換器集成電路，然后依次向下放置到輸入電容器和電感器，然后是輸出電容器。

高開關(guān)電流穿過的環(huán)路(即具有高 di/dt 值的環(huán)路)必須盡可能窄且緊湊，以減少可能導(dǎo)致電壓峰值的分布電感。一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是讓電流分布和返回路徑彼此重疊或相鄰，以盡量減少形成的環(huán)路面積并減少電磁干擾的產(chǎn)生。

模擬控制元件應(yīng)放在最后，因?yàn)樗鼈児?jié)省空間，而且需要較細(xì)的走線。處理它們的一種方法是按功能創(chuàng)建子組，然后按組鏈接它們。

所有大部件，如MOSFET、整流器、電解電容器、電感器和連接器，都必須放置在電路板的頂部，以免在焊接過程中掉落或移動(dòng)。電路板的底部必須僅包含最小的部件，這些部件通過表面張力附著在電路板上，并且在機(jī)器焊接操作期間不會(huì)移動(dòng)。

旁路電容器，也稱為去耦電容器，用于保護(hù)最精密的元件，例如 IC 和邏輯器件，在這些元件中，輕微的振蕩可能會(huì)被誤認(rèn)為是邏輯狀態(tài)的變化。這些電容器必須接地，并盡可能靠近 IC 的電源端口。

散熱

由于所有電源電路都會(huì)產(chǎn)生熱量，因此電源 PCB 的設(shè)計(jì)通常需要具備適當(dāng)?shù)臒峁芾砉δ?。要遵循的第一條規(guī)則是使連接盡可能短且直，同時(shí)將發(fā)熱元件(IC 穩(wěn)壓器、MOSFET 等)與熱敏感元件分開。

然后，考慮到這種金屬的高導(dǎo)熱性，我們可能會(huì)考慮更廣泛地使用銅區(qū)域來提供散熱區(qū)域。這些覆銅部分將有助于更均勻地分配熱量，將熱量從熱點(diǎn)轉(zhuǎn)移到傳熱更好的位置，最終實(shí)現(xiàn)更好的散熱。

在最熱的組件下方使用熱通孔和實(shí)心銅區(qū)域是另一種快速將熱量從這些組件中散發(fā)出去的有效方法。目標(biāo)是防止電路板上形成熱點(diǎn)，讓熱量快速消散，而不會(huì)損壞最關(guān)鍵的組件。

如果布局不足以確保良好的熱管理，可以在電源組件上使用散熱器，并最終引入主動(dòng)冷卻解決方案，例如強(qiáng)制通風(fēng)。這些選項(xiàng)完全取決于應(yīng)用，請(qǐng)記住，在某些情況下，出于可靠性和噪音控制的原因，無風(fēng)扇電源通常是首選。