應(yīng)用電路板的多軌電源設(shè)計(jì)——第2部分：布局技巧

簡介：工程師在不斷發(fā)展的時(shí)代所面臨的挑戰(zhàn)

電源設(shè)計(jì)可以分為三個階段：(A)設(shè)計(jì)策略和IC選擇，(b)原理圖設(shè)計(jì)、仿真和測試，以及(c)器件布局和布線。在(a)設(shè)計(jì)和(b)仿真階段投入時(shí)間可以證明設(shè)計(jì)概念的有效性，但真正測試時(shí)，需要將所有一切組合在一起，在測試臺上測試。在本文中，我們將直接跳到步驟(c)，因?yàn)槟壳耙延写罅抠Y料介紹ADI的模擬和設(shè)計(jì)電源工具，都可免費(fèi)下載，例如LTpowerPlanner®、LTpowerCad®、LTspice®和LTpowerPlay®。此專題的第一部分主要介紹(a)策略。

此專題分兩部分討論，本文是第二部分，主要介紹在設(shè)計(jì)多軌電源時(shí)可能會忽略的一些問題。第一部分著重介紹策略和拓?fù)洌疚膭t重點(diǎn)討論功率預(yù)算和電路板布局的細(xì)節(jié)。由于許多應(yīng)用電路板需要多個電源軌道，所以這個分兩部分介紹的專題詳細(xì)介紹多電源電路板解決方案。目標(biāo)是通過合理的器件定位和路由來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的初始設(shè)計(jì)，以重點(diǎn)突出一些功率預(yù)算和路由技巧。

在電源設(shè)計(jì)中，精心的布局和布線對于能否實(shí)現(xiàn)出色設(shè)計(jì)至關(guān)重要，要為尺寸、精度、效率留出足夠空間，以避免在生產(chǎn)中出現(xiàn)問題。我們可以利用多年的測試經(jīng)驗(yàn)，以及布局工程師具備的專業(yè)知識，最終完成電路板生產(chǎn)。

精心的設(shè)計(jì)的效率

設(shè)計(jì)從圖紙上看起來可能毫無問題(也就是說，從原理圖角度)，甚至在模擬期間也沒有任何問題，但真正的測試其實(shí)是在布局、PCB制造，以及通過載入電路實(shí)施原型制作應(yīng)力測試之后。這部分使用真實(shí)的設(shè)計(jì)示例，介紹一些技巧來幫助避開陷阱。我們將介紹幾個重要概念，以幫助避開設(shè)計(jì)缺陷和其他陷阱，以免未來需要重新設(shè)計(jì)和/或重新制作PCB。圖1顯示在沒有進(jìn)行細(xì)致測試和余量分析的情況下，在設(shè)計(jì)進(jìn)入生產(chǎn)之后會如何造成成本急速上漲。

圖1.生產(chǎn)的電路板出現(xiàn)問題時(shí)，成本可能急速上漲

功率預(yù)算

您需要注意在正常情況下按預(yù)期運(yùn)行，但在全速模式或不穩(wěn)定數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)時(shí)(已排除噪聲和干擾之后)不能按預(yù)期運(yùn)行的系統(tǒng)。

退出級聯(lián)階段時(shí)，要避免限流情況。圖2所示為一個典型的級聯(lián)應(yīng)用：(A) 顯示由產(chǎn)生3.3 V電源，電流最大500 mA的ADP5304降壓穩(wěn)壓器(PSU1)構(gòu)成的設(shè)計(jì)。為了提高效率，設(shè)計(jì)人員應(yīng)分接3.3 V電軌，而不是5 V輸入電源。3.3 V輸出被進(jìn)一步切斷，以為PSU2 (LT1965)供電，這款LDO穩(wěn)壓器用于進(jìn)一步將電壓降低至2.5 V，且按照板載2.5 V電路和IC的要求，將最大輸出電流限制在1.1 A。

這種系統(tǒng)存在一些很典型的隱藏問題。它在正常情況下能夠正常運(yùn)行。但是，當(dāng)系統(tǒng)初始化并開始全速運(yùn)行時(shí)——例如，當(dāng)微處理器和/或ADC開始高速采樣時(shí)——問題就出現(xiàn)了。由于沒有穩(wěn)壓器能在輸出端生成高于輸入端的電壓，在圖2a中，用于為合并電路VOUT1和VOUT2供電的VOUT1最大功率(P = V × I)為3.3 V × 0.5 A = 1.65 W。得出此數(shù)值的前提是效率為100%，但是因?yàn)楣╇娺^程中會出現(xiàn)損耗，所以實(shí)際功率要低于該數(shù)值。假定2.5 V電源軌道的最大可用功率為2.75 W。如果電路試圖獲取這么多的功率，但這種要求得不到滿足，就會在PSU1開始限流時(shí)出現(xiàn)不規(guī)律行為。電流可能由于PSU1而開始限流，更糟的是，有些控制器因過流完全關(guān)斷。

如果圖2a是在成功排除故障后實(shí)施，則可能需要更高功率的控制器。最理想的情況是使用與引腳兼容、電流更高的器件進(jìn)行替換;最糟糕的情況下，則需要完全重新設(shè)計(jì)和制造PCB。如果能在概念設(shè)計(jì)階段開始之前考慮功率預(yù)算，則可以避免潛在的項(xiàng)目計(jì)劃延遲(參見圖1)。

在考慮這一點(diǎn)的情況下，先創(chuàng)建真實(shí)的功率預(yù)算，然后選擇控制器。包括您所需的所有電源電軌：2.5 V、3.3 V、5 V等。包括所有會消耗每個電軌功率的上拉電阻、離散器件和IC。使用這些值反向工作，以如圖2b所示，估算您需要的電源。使用電力樹系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，例如LTpowerPlanner(圖3)來輕松創(chuàng)建支持所需的功率預(yù)算的電力樹。

圖2.避開電力樹中的限流設(shè)計(jì)缺陷

圖3.LTpowerPlanner電源樹

圖4.物理接觸和電流處理能力

布局和布線

正確的布局和布線可以避免因錯誤的走線寬度、錯誤的通孔、引腳(連接器)數(shù)量不足、錯誤的接觸點(diǎn)大小等導(dǎo)致軌道被燒毀，進(jìn)而引發(fā)電流限制。下面章節(jié)介紹了一些值得注意的地方，也提供幾個PCB設(shè)計(jì)技巧。

連接器和引腳接頭

將圖2中所示的示例的總電流擴(kuò)展至17 A，那么設(shè)計(jì)人員必須考慮引腳的電流處理接觸能力，如圖4所示。一般來說，引腳或接觸點(diǎn)的載流能力受幾個因素影響，例如引腳的大小(接觸面積)、金屬成分等。直徑為1.1 mm1的典型過孔凸式連接引腳的電流約為3 A。如果需要17 A，那么應(yīng)確保您的設(shè)計(jì)具有足夠多的引腳，足以處理總體的載流容量。這可以通過增大每個導(dǎo)體(或觸點(diǎn))的載流能力來輕松實(shí)現(xiàn)，并保留一些安全裕度，使其載流能力超過PCB電路的總電流消耗。

在本例中，要實(shí)現(xiàn)17 A需要6個引腳(且具備1A余量)。VCC和GND一共需要12個引腳。要減少觸點(diǎn)個數(shù)，可以考慮使用電源插座或更大的觸點(diǎn)。

布線

使用可用的線上PCB工具來幫助確定布局的電流能力。一盎司電軌寬度為1.27 mm的銅質(zhì)PCB的載流能力約為3 A，電軌寬度為3 mm時(shí)，載流能力約為5 A。還要留出一些余量，所以20 A的電軌的寬度需要達(dá)到19 mm(約20 mm)(請注意，本例未考慮溫度升高帶來的影響)。從圖4可以看出，因?yàn)槭躊SU和系統(tǒng)電路的空間限制，無法實(shí)現(xiàn)20 mm電軌寬度。要解決這個問題，一個簡單的解決方案是使用多層PCB。將布線寬度降低到(例如)3 mm，并將這些布線復(fù)制到PCB中的所有層上，以確保(所有層中的)布線的總和能夠達(dá)到至少20 A的載流能力。

過孔和連接

圖5顯示一個過孔示例，該過孔正在連接控制器的PCB的多個電源層。如果您選擇1 A過孔，但需要2 A電流，那么電軌寬度必須能夠攜帶2 A的電流，且過孔連接也要能夠處理這個電流。圖5所示的示例至少需要兩個過孔(如果空間允許，最好是三個)，用于將電流連接至電源層。這個問題經(jīng)常被忽略，一般只使用一個過孔來進(jìn)行連接。連接完成后，這個過孔會作為保險(xiǎn)絲使用，它會熔斷，并斷開與相鄰層的電源連接。設(shè)計(jì)不良的過孔后期很難改善和解決，因?yàn)槿蹟嗟倪^孔很難注意到，或者被其他器件遮住。

圖5.過孔連接

請注意關(guān)于過孔和PCB電軌的下列參數(shù)：電軌寬度、過孔尺寸和電氣參數(shù)受幾個因素影響，例如PCB涂層、路由層、工作溫度等，這些因素最終會影響載流能力。以前的PCB設(shè)計(jì)技巧沒有考慮這些依賴關(guān)系，但是，設(shè)計(jì)人員在確定布局參數(shù)時(shí)，需要注意到這些。目前許多PCB電軌/過孔計(jì)算器都可在線使用。設(shè)計(jì)人員在完成原理圖設(shè)計(jì)后，最好向PCB制造商或布局工程師咨詢這些細(xì)節(jié)。

避免過熱

有許多因素會導(dǎo)致生熱，例如外殼、氣流等，但本節(jié)主要講述外露的焊盤。帶有外露焊盤的控制器，例如LTC3533、ADP5304、ADP2386、ADP5054等，如果正確連接至電路板，其熱阻會更低。一般來說，如果控制器IC的功率MOSFET是置于裸片之中(即是整片式的)，該IC的焊盤通常外露，以便散熱。如果轉(zhuǎn)換器IC使用外部功率MOSFET運(yùn)行(為控制器IC)，那么控制IC通常無需要使用外露焊盤，因?yàn)樗闹饕茻嵩?功率MOSFET)本身就在IC外部。

通常，這些外露的焊盤必須焊接到PCB接地板上才有效。根據(jù)IC的不同，也有一些例外，有些控制器會指明，它們可以連接至隔離的焊盤PCB區(qū)域，以作為散熱器進(jìn)行散熱。如果不確定，請參閱有關(guān)部件的數(shù)據(jù)表。

當(dāng)您將外露的焊盤連接到PCB平面或隔離區(qū)域時(shí)，(a)確保將這些孔(許多排成陣列)連接到地平面以進(jìn)行散熱(熱傳遞)。對于多層PCB接地層，建議利用過孔將焊盤下方所有層上的接地層連在一起。如需更多信息，請參閱“散熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”教程 MT-093、2AN136：“非隔離開關(guān)電源的PCB布局考量，”3，以及AN139：“電源布局和EMI?！?

請注意，關(guān)于外露焊盤的討論是與控制器相關(guān)。在其他IC中使用外露焊盤可能需要使用極為不同的處理方法。如需了解更多與使用外露焊盤相關(guān)的討論，請?jiān)L問EngineerZone。®

結(jié)論與匯總

要設(shè)計(jì)低噪聲、不會因?yàn)殡娷壔蜻^孔燒毀而影響系統(tǒng)電路的電源，從成本、效率、效率和PCB面積大小各方面來說都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。本文強(qiáng)調(diào)了一些設(shè)計(jì)人員可能會忽略的地方，例如使用功率預(yù)算分析來構(gòu)建電力樹，以支持所有的后端負(fù)載。

原理圖和模擬只是設(shè)計(jì)的第一步，之后是謹(jǐn)慎的器件定位和路由技術(shù)。過孔、電軌和載流能力都必須符合要求，并接受評估。如果接口位置存在開關(guān)噪聲，或者開關(guān)噪聲到達(dá)IC的功率引腳，那么系統(tǒng)電路會失常，且難以隔離并排除故障。