多轨电源设计的布局与技巧

在本文中，将重点介绍功率预算和电路板布局的各种细节。由于许多应用板需要多个电源轨，因此本系列研究了多电源板解决方案。目标是通过良好的组件布局和布线实现高质量的初始设计，以突出一些功率预算和布线技巧和窍门。

电源设计可分为三个主要阶段：（1）设计策略和IC选择；（2）原理图设计、仿真和测试；（3）布局和布线。在（1）设计和（2）仿真阶段投入时间可以证明设计概念的有效性，但真正的测试需要将它们放在一起并在台式机上进行测试。在本文中，主要讲解怎么布线。

在电源设计中，仔细的布局和布线对于在尺寸、精度、效率和避免生产问题方面具有足够裕量的稳健设计至关重要。多年的台式经验会有所帮助，因此在电路板制造的最终完成方面依靠布局工程师的知识。

设计可能在纸面上看起来很可靠（即从原理图的角度来看），甚至可以毫无问题地进行模拟，但真正的测试是在布局、PCB制造和通过加载电路进行原型应力测试之后。本节通过使用真实的设计示例重点介绍一些避免陷阱的技巧和窍门。一些重要的概念有助于避免可能导致重新设计和/或PCB重新设计的设计缺陷和其他陷阱。图1显示了如果设计在没有仔细测试和裕量分析的情况下进入生产阶段，成本会如何迅速上升。

功率预算

注意在正常条件下按预期运行的系统，但在全速模式下或开始出现不稳定数据时（已排除噪声和干扰时）则不然。

在分接级联阶段时避免电流限制情况。图2显示了一个典型的级联应用：图中显示了一个由ADP5304降压稳压器（PSU1）组成的设计，可产生最大电流为500mA的3.3V电源。为提高效率，设计人员应接上3.3V电源轨而不是输入的5V电源。3.3V输出进一步分流为PSU2（LT1965）供电，该LDO稳压器用于进一步调节至2.5V，最大输出电流为1.1A，符合板载2.5V电路和IC的要求。

这是一个带有一些经典隐藏问题的系统。系统在正常情况下工作正常。但是当系统初始化并开始全速运行时就会出现问题——例如，当微处理器和/或ADC开始高速采样时。由于没有稳压器可以在其输出端产生比输入端更多的功率，因此在图2a中，VOUT1处的最大功率（P=V×I）为3.3V×0.5A=1.65W，以向组合电路VOUT1和VOUT12。这假定效率为100%，因此由于电源损耗，可用功率较少。假设2.5V电源轨的最大可用功率为2.75W。如果电路试图要求如此大的功率，它们将不会得到满足，从而导致PSU1开始达到电流限制时的不稳定行为。由于PSU1，电流可能会开始限制，或者更糟的是，某些稳压器会因过流而完全关闭。

如果在成功排除故障后实施图2a，则可能需要更换更高的功率调节器。最好的情况是引脚兼容的更高电流替代品；最坏的情况是完全重新设计和重新设计PCB。通过在设计概念阶段之前牢记功率预算，可以避免潜在的项目延迟时间表（见图1）。

考虑到这一点，在选择一个或多个稳压器之前，请创建一个切合实际的功率预算。包括所有所需的电源轨：2.5V、3.3V、5V等。包括所有上拉电阻、分立器件和每个轨消耗功率的IC。使用这些值并反向计算您的电源需求，如图2b所示。使用电源树系统设计工具，可以轻松创建支持所需功率预算的电源树。


布局、跟踪和布线

正确的布局、走线和布线可避免由于走线宽度错误、过孔错误、引脚（连接器）数量不足、接触尺寸错误等导致走线烧毁导致的电流容量限制。以下部分包括一些值得注意的一些PCB设计技巧。

连接器和排针

将图2中所示的示例扩展到17A的总电流，设计人员必须考虑引脚（或多个引脚）处的电流处理接触能力，如图3所示。通常，引脚或触点的载流能力取决于几个因素，例如物理引脚尺寸（接触面积）、金属成分等。直径为1.1mm1的典型通孔公头引脚约为3A。如果需要17A，请确保您的设计有足够的电流引脚来处理总电流承载能力。这很容易通过乘以每个导体（或触点）的载流能力和一些安全裕度来超过PCB电路的总电流消耗来实现。

在本例中，要达到17A需要6个引脚（具有1A裕量）。VCC和GND总共需要12个引脚。要减少触点数量，请考虑使用电源插孔或更大的触点。

走线

使用可用的在线PCB工具来帮助确定布局中的当前能力。具有1.27毫米走线宽度的1盎司铜PCB产生大约3A的载流能力，而3毫米走线宽度产生大约5A的载流能力。留出一些净空，20A轨道需要19毫米（约20毫米）的宽度（请注意，此示例中未考虑温度升高）。从图3中可以看出，由于用于PSU和系统电路的空间限制，20毫米的轨道宽度是不可行的。为了解决这个问题，一个简单的解决方案是使用多个PCB层。减少走线宽度（例如，减少到3毫米）并将这些走线复制到PCB中的所有可用层，以确保总组合走线（在所有层中）至少满足20A的电流能力。

过孔和拼接

图4显示了从稳压器缝合PCB电源层的过孔示例。如果选择了1A过孔并且您的电源要求是2A，则轨道宽度必须能够承载2A并且过孔缝合也必须能够处理它。图4中的示例需要至少两个过孔（如果空间可用，最好是三个）将电流缝合到电源层。当仅使用单个过孔进行拼接时，这一点通常会被忽略。完成后，通孔就像保险丝一样，会烧断并断开与相邻平面的电源。设计不足的过孔可能很难排除故障，因为过孔可能不明显，或者可能很难看到它是否被组件挡住了。

请注意过孔和PCB走线的以下参数：走线宽度、过孔尺寸和电气参数取决于影响最终载流能力的几个因素，例如PCB电镀、布线层、工作温度等。之前的PCB设计技巧并未考虑这些相关性，但设计人员在确定布局参数时应注意这些。许多PCB走线/过孔计算器可在线获取。强烈建议设计人员在原理图设计后咨询他们的PCB制造商或布局工程师，并牢记这些细节。

避免过热

许多因素都可能导致散热问题，例如外壳、气流等，但本节重点介绍裸露的焊盘。如果正确连接到电路板，带有裸露焊盘的稳压器的热阻较低。一般而言，如果稳压器IC具有设计在芯片中的功率MOSFET（即它是单片的），则该IC通常具有用于散热的裸露焊盘。如果转换器IC使用外部功率MOSFET（它是控制器IC）运行，那么控制IC通常不需要外露焊盘，因为主要的热源（功率MOSFET）在IC外部。

通常，这些裸露的焊盘必须焊接到PCB地平面上才能有效。根据IC的不同，也有例外，因为一些规定它们可以连接到隔离的焊接PCB区域，作为散热片的散热片。如果不确定，请参阅相关部件的数据表。

当您将裸露焊盘连接到PCB平面或隔离区域时，确保将这些过孔（其中许多是阵列形式）连接到接地平面以进行散热（热传递）。对于多层PCB接地平面，建议将焊盘下方所需的接地平面（在所有层上）与过孔连接在一起。

以上就是英锐恩单片机开发工程师分享的“多轨电源设计的布局与技巧”。英锐恩专注单片机应用方案设计与开发，提供8位单片机、16位单片机、32位单片机。