簡介：工程師在不斷發展的時代所麵臨的挑戰

 

電源設計可以分為三個階段：(A)設計策略和IC選擇，(b)原理圖設計
、仿真和測試，以及(c)器件布局和布線。在(a)設計和(b)仿真 階段投入時間可以證明設計概念的有效性
，但真正測試時
，需要將所有一切組合在一起，在測試台上測試。在本文中
，我們 將直接跳到步驟(c)，因為目前已有大量資料介紹ADI的模擬和設計電源工具

，都可免費下載，例如 LTpowerPlanner®
、LTpowerCad®

、 LTspice®和 LTpowerPlay®。此專題的第一部分主要介紹(a)策略。

 

cizhuantifenliangbufentaolun，benwenshidierbufen，zhuyaojieshaozaishejiduoguidianyuanshikenenghuihulvedeyixiewenti。diyibufenzhezhongjieshaocelvehetuopu，benwenzezhongdiantaolungonglvyusuanhedianlubanbujudexijie。youyuxuduoyingyongdianlubanxuyaoduogedianyuanguidao，suoyizhegefenliangbufenjieshaodezhuantixiangxijieshaoduodianyuandianlubanjiejuefangan。mubiaoshitongguohelideqijiandingweiheluyoulaishixiangaozhiliangdechushisheji，yizhongdiantuchuyixiegonglvyusuanhe 路由技巧。

 

在電源設計中，精心的布局和布線對於能否實現出色設計至關重要
，要為尺寸
、精度、xiaolvliuchuzugoukongjian，yibimianzaishengchanzhongchuxianwenti。womenkeyiliyongduoniandeceshijingyan
，yijibujugongchengshijubeidezhuanyezhishi
，zuizhongwanchengdianlubanshengchan。

 

精心的設計的效率

 

設計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，但真正的測試其實是在布局、PCB製造
，以及通過載入電路實施原型製作應力測試之後。這部分使用真實的設計示例
，介紹一些技巧來幫助避開陷 阱。我們將介紹幾個重要概念，以幫助避開設計缺陷和其他陷阱，以免未來需要重新設計和/或重新製作PCB。圖1顯示在沒有進行細致測試和餘量分析的情況下

，在設計進入生產之後會如何造成成本急速上漲。

 

圖1. 生產的電路板出現問題時，成本可能急速上漲。

 

功率預算

 

您需要注意在正常情況下按預期運行
，但在全速模式或不穩定數據開始出現時（已排除噪聲和幹擾之後）不能按預期運行的係統。

 

退出級聯階段時，要避免限流情況。圖2所示為一個典型的級聯應用：(A) 顯示由產生3.3 V電源
，電流最大500 mA的ADP5304 降壓 穩壓器(PSU1)構成的設計。為了提高效率，設計人員應分接3.3 V電軌，而不是5 V輸入電源。3.3 V輸出被進一步切斷，以為PSU2 (LT1965)供電，這款LDO穩壓器用於進一步將電壓降低至2.5 V
，且按照板載2.5 V電路和IC的要求
，將最大輸出電流限製在1.1 A。

 

這種係統存在一些很典型的隱藏問題。它在正常情況下能夠正常運行。但是
，當係統初始化並開始全速運行時——例如，當微處理器和/或ADC開始高速采樣時——問題就出現了。由於沒有穩壓器能在輸出端生成高於輸入端的電壓，在圖2a中，用於為合 並電路V_OUT1 和V_OUT2 供電的 V_OUT1 最大功率(P = V × I) at is 3.3 V × 0.5 A = 1.65 W .最大功率(P = V × I)為3.3 V × 0.5 A = 1.65 W。得出此數值的前提是效率為100%
，但是因為供電過程中會出現損耗，所以實際功率要低於該數值。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麼多的功率，但這種要求得不到滿足

，就會在PSU1開始限流時出現不規律行為。電流可能由於PSU1而開始限流，更糟的是

，有些控製器因過流完全關斷。

 

如果圖2a是在成功排除故障後實施，則可能需要更高功率的控製器。最理想的情況是使用與引腳兼容、電流更高的器件進行 替換
；最糟糕的情況下
，則需要完全重新設計和製造PCB。如果能在概念設計階段開始之前考慮功率預算，則可以避免潛在的項目計劃延遲（參見圖1）。

 

在考慮這一點的情況下，先創建真實的功率預算
，然後選擇控製器。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。使用電力樹係統設計工具，例如LTpowerPlanner（圖3）來輕鬆創建支持所需的功率預算的電力樹。

 

圖2. 避開電力樹中的限流設計缺陷。

 

圖3. LTpowerPlanner電源樹。

 

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）數量不足、錯誤的接觸點大小等導致軌道被燒 毀


，進而引發電流限製。下麵章節介紹了一些值得注意的地方
，也提供幾個PCB設計技巧。

 

連接器和引腳接頭

 

將圖2中所示的示例的總電流擴展至17 A，那麼設計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 接觸點的載流能力受幾個因素影響

，例如引腳的大小（接觸麵積）、金屬成分等。直徑為1.1 mm ¹ 的典型過孔凸式連接引腳的電 流約為3 A。如果需要17 A
，那麼應確保您的設計具有足夠多的引腳
，足以處理總體的載流容量。這可以通過增大每個導體（或觸點）的載流能力來輕鬆實現
，並保留一些安全裕度，使其載流能力超過PCB電路的總電流消耗。在本例中
，要實現17 A需要6個引腳（且具備1A餘量）。V _CC 和GND一共需要12個引腳。要減少觸點個數
，可以考慮使用電源插座或更大的觸點。

 

布線

 

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PCB的載流能力約為3 A，電軌寬度為3 mm 時，載流能力約為5 A。還要留出一些餘量，所以20 A的電軌的寬度需要達到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，因為受PSU和係統電路的空間限製，無法實現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，並將這些布線複製到PCB中的所有層上

，以確保（所有層中的）布線的總和能夠達到至少20 A的載流能力。

 

圖4. 物理接觸和電流處理能力。

 

過孔和連接

 

圖5顯示一個過孔示例，該過孔正在連接控製器的PCB的多個電源層。如果您選擇1 A過孔
，但需要2 A電流，那麼電軌寬度必須 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）
，yongyujiangdianliulianjiezhidianyuanceng。zhegewentijingchangbeihulve，yibanzhishiyongyigeguokonglaijinxinglianjie。lianjiewanchenghou，zhegeguokonghuizuoweibaoxiansishiyong，tahuirongduan，bingduankaiyuxianglincengdedianyuanlianjie。shejibuliangdeguokonghouqihennangaishanhejiejue，yinweirongduandeguokonghennanzhuyidao，huozhebeiqitaqijianzhezhu。

 

圖5. 過孔連接。

 

請注意關於過孔和PCB電軌的下列參數：電軌寬度、過孔尺寸和電氣參數受幾個因素影響

，例如PCB塗層
、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設計技巧沒有考慮這些依賴關係
，但是，設計人員在確定布局參數時
，需要注意到這些。目前許多PCB電軌/過孔計算器都可在線使用。設計人員在完成原理圖設計後
，最好向PCB製造商或布局工程師谘詢這些細節。

 

避免過熱

 

有許多因素會導致生熱，例如外殼、氣流等，但本節主要講述外露的焊盤。帶有外露焊盤的控製器，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，如果控製器IC的功率MOSFET是置於裸片之中（即是整片式的），該IC的焊盤通常外露，以便散熱。如果轉換器IC使用外部功率MOSFET運行（為控製器IC）
，那麼控製IC通常無需要使用外露焊盤，因為它的主要製熱源（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IC的不同，也有一些例外，有些控製器會指明，它們可以連接至 隔離的焊盤PCB區域
，以作為散熱器進行散熱。如果不確定
，請參閱有關部件的數據表。

 

當您將外露的焊盤連接到PCB平麵或隔離區域時，(a)確保將這些孔（許多排成陣列）連接到地平麵以進行散熱（熱傳遞）。對於 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 “散熱設計基礎”tutorial MT-093,² AN136: “非隔離開關電源的PCB布局考量，”³ and AN139: “Power 電源布局和EMI。”⁴

 

請注意，關於外露焊盤的討論是與控製器相關。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的討論，請訪問 EngineerZone®。⁵

 

結論與彙總

 

要設計低噪聲

、不會因為電軌或過孔燒毀而影響係統電路的電源，從成本、效率
、效率和PCB麵mian積ji大da小xiao各ge方fang麵mian來lai說shuo都dou是shi一yi項xiang挑tiao戰zhan。本ben文wen強qiang調tiao了le一yi些xie設she計ji人ren員yuan可ke能neng會hui忽hu略lve的de地di方fang，例li如ru使shi用yong功gong率lv預yu算suan分fen析xi來lai構gou建jian電dian力li樹shu，以yi支zhi持chi所suo有you的de後hou端duan負fu載zai。/p>

 

原理圖和模擬隻是設計的第一步，之後是謹慎的器件定位和路由技術。過孔、電軌和載流能力都必須符合要求，並接受評估。如果接口位置存在開關噪聲
，或者開關噪聲到達IC的功率引腳，那麼係統電路會失常，且難以隔離並排除故障。

 

參考電路

 

¹ 61302221121連接引腳。 Würth Elektronik.

 

² MT-093教程： "散熱設計基礎。" ADI公司

，2009年。

 

³ 應用筆記136： "非隔離開關電源的PCB布局考量。" 淩力爾特，2012年6月。

 

⁴ 應用筆記139： "電源布局和EMI。" 淩力爾特
，2012年10月。

 

⁵ AD8045裸露焊盤連接。EngineerZone，2011年1月。

 

LTM4700。ADI公司，2018年10月。

 

電源管理工具。 ADI公司

 

 

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