【干貨】PCB電源設(shè)計的7個注意事項總結(jié)，圖文結(jié)合，帶你輕松搞定
依舊自我介紹，張工，NPI 工程師，如果還不知道我具體是干什么的，歡迎看我的第一篇文章（主頁點進(jìn)去即可）。
萬變不離其宗，作為 NPI 工程師，DFM 可制造性分析涉及的范圍非常廣，今天主要是關(guān)于：PCB電源設(shè)計的7個注意事項。
一、PCB電源設(shè)計
電源設(shè)計的目的不僅僅是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。電源的功能是以正確的電壓和電流向電路元件提供給電力。未來電壓低至1.8和1.2V器件還是會比較常見。畢竟低電壓對電源噪聲的容忍度比較低。
電源還需要電流限制來限制最大電流。因此電源的重要參數(shù)是電壓、最大電流、電壓紋波和最大電流時的熱損耗。
電子電路中的典型功率流框圖
電源電子電路的典型功率流如上圖所示，電子電路需要1.8V至12V范圍的電壓。1.2V、1.8V、3.3V、5V和12V是最常用的電壓。
在第一級中，230V/10VAC的輸入交流電壓被轉(zhuǎn)換為6-12V范圍內(nèi)的隔離直流電壓。第二極采用降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，將6-12V電壓轉(zhuǎn)換為5V或者3.3V。此外，使用LDO（低壓差穩(wěn)壓器）將3.3V轉(zhuǎn)換為1.8V或1.2V。
在開關(guān)模式電源（SMPS-開關(guān)電源）出現(xiàn)之前，鐵芯變壓器用于將高壓230VAC/110VAC轉(zhuǎn)換為12VAC.二極管橋式整流器進(jìn)一步將整流為最大約為12*1.4=16.8VDC。線性穩(wěn)壓器用于將電壓降低至所需水平。
開關(guān)電源的使用提高了將電壓轉(zhuǎn)換為低電平的效率，減少了電源的PCB占用空間，并減少了紋波。
二、PCB電源的設(shè)計
對于電源設(shè)計，工程師需要良好的PCB布局。下面是在PCB電源設(shè)計時的7個注意事項：
1、合適的穩(wěn)壓器
一般來說，會選擇線性穩(wěn)壓器或者開關(guān)模式穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器提高低噪聲輸出，但散熱較高，需要冷卻系統(tǒng)。開關(guān)模式穩(wěn)壓器在較寬的電流范圍內(nèi)效率很高，但開關(guān)噪聲會導(dǎo)致響應(yīng)出現(xiàn)尖峰。
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穩(wěn)壓器
1）線性穩(wěn)壓器：
- 輸入電壓高于輸出電壓，因為電壓壓降最小
- 會產(chǎn)生比較大的功率損耗和散熱，因此會降低線性穩(wěn)壓器的效率。
- 簡單、便宜，可以提供異常的無噪聲的電壓輸出。
線性穩(wěn)壓器
如果你選擇線性穩(wěn)壓器，就需要考慮具有低壓差的穩(wěn)壓器，并且在進(jìn)行制造之前進(jìn)行熱分析。
2）開關(guān)穩(wěn)壓器：通過在電感中臨時存儲能量，在不同的開關(guān)事件以不同的電壓釋放該能量，將電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓。
- 使用快速開關(guān)MOS管，高效穩(wěn)壓器的輸出可以通過改變脈寬（PWM）的占孔比來調(diào)整，效率取決于電路的散熱，在這種情況下散熱較低。
- 開關(guān)穩(wěn)壓器的PWM開關(guān)會在輸出中產(chǎn)生噪聲或紋波。開關(guān)電流可能會導(dǎo)致其他信號中的噪聲串?dāng)_。因此開關(guān)電源需要與關(guān)鍵信號隔離。
- 價格較高，需要連接較多的無源器件，但不容易發(fā)熱。
開關(guān)穩(wěn)壓器
如果你選擇開關(guān)穩(wěn)壓器，需要考慮電磁兼容性。（因為開關(guān)穩(wěn)壓器會發(fā)出EMI噪聲，但是沒有辦法消除EMI，只能通過濾波、減少電路環(huán)路、接地層和屏蔽等降低EMI）
2、PCB電源的熱管理
電源的性能直接取決于散熱，大多數(shù)電子元件在電流通過時都會發(fā)熱。發(fā)出的熱量取決于組件的功率水平、特性和阻抗。如面所述，合適的穩(wěn)壓器可以減少電路中的散熱。開關(guān)穩(wěn)壓器的效率很高，因為散發(fā)的熱量較少。
PCB散熱
為了保證設(shè)備在環(huán)境溫度下工作，工程師應(yīng)該考慮適當(dāng)?shù)睦鋮s方法。
如果選擇線性穩(wěn)壓器，建議使用散熱器或者其他冷卻方法，如果設(shè)備的散熱量很高，可以考慮使用風(fēng)扇。
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PCB散熱
整個PCB的散熱可能不均勻，具有高額定功率的組件可能會散發(fā)大量熱量，從而在周圍形成熱點?？梢栽诮M件附近使用散熱孔。
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3、接地層和電源層，以實現(xiàn)更好的PCB供電
接地層和電源層是用于電力傳輸?shù)牡妥杩孤窂?。電源需要單?dú)的接地層來分配功率、降低EMI、最大限度低減少串?dāng)_并減少電壓降。電源層專用于電力傳輸?shù)絇CB的所需區(qū)域。
工程師需要單獨(dú)處理接地網(wǎng)絡(luò)的各個部分。在多層PCB中，一層或者多層可以專門用于接地層和電源層。此外，還可以通過在2個有源信號之間放置階地層來減少干擾和串?dāng)_，從而有效地用地包圍信號走線。
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4、去耦電容和旁路電容
當(dāng)電源分配到整個板上的組件時，不同的有源組件將導(dǎo)致電源軌中的地彈和振鈴。在這種情況下，工程師應(yīng)該要在電源引腳附近使用去耦和旁路電容，滿足設(shè)備電流需求的短尖峰。
去耦主要是降低電源和接地之間的阻抗，去耦電容充當(dāng)輔電源，提供IC所需的電流。充當(dāng)本地電荷源以及支持切換。所有去耦電容都必須靠近IC的電源引腳連接，另一端直接連接到到低阻抗接地層。需要使用短走線連接去耦電容和接地過孔，以最大程度地減少此連接的串聯(lián)附加電感。
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旁路電容旁路噪聲并減少電源總線的波動，放置在靠近設(shè)備或者IC的位置。連接在電源和接地之間，補(bǔ)償許多IC同時開關(guān)電源和接地層電勢的變化。
去耦電容和旁路電容
5、EMI濾波
工程師都希望電源的EMI水平保持在他們定義的頻譜限制以下。因此，在電源輸入點使用EMI濾波器來降低傳傳導(dǎo)噪聲。
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EMI濾波器
6、電力傳輸系統(tǒng)的頻率響應(yīng)
當(dāng)電源突然加載時，例如從空載到滿載，電壓輸出將趨于短暫下降并恢復(fù)到正常電壓。
在某些情況下，在在電壓穩(wěn)定到正常之前，輸出會振蕩一段時間。如果振蕩超出設(shè)計眼制，則需要調(diào)整輸出電容和補(bǔ)償電容。
例如，對于LM7805，建議在輸出引腳旁邊放置一個0.uF的電容。同樣，調(diào)節(jié)器的突然卸載可能會導(dǎo)致過沖和振蕩。
為了獲得更好的電路設(shè)計響應(yīng)，請確保所選組件在設(shè)計限制范圍內(nèi)。無論電路是交流還是直流都有不同的響應(yīng)。交流和直流電路應(yīng)分開考慮。
7、電源完整性 (PI)
工程師應(yīng)該要確保電源設(shè)計的電源完整性。
電源完整性就是輸送到電路的電源質(zhì)量。它衡量系統(tǒng)內(nèi)功率從電源傳輸?shù)截?fù)載的效率，確保為所有電路和設(shè)備提供適當(dāng)?shù)墓β?，從而實現(xiàn)電路所需的性能。
噪聲較小的電源可以確保更高的電源完整性。電源完整性設(shè)計只不過是管理電源噪聲。
電源完整性
