應(yīng)用電路板的多軌電源設(shè)計—第2部分:布局技巧
發(fā)布時間:2020-10-08 來源:Ching Man 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在電源設(shè)計中,精心的布局和布線對于能否實現(xiàn)出色設(shè)計至關(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,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)。
簡介:工程師在不斷發(fā)展的時代所面臨的挑戰(zhàn)
電源設(shè)計可以分為三個階段:(A)設(shè)計策略和IC選擇,(b)原理圖設(shè)計、仿真和測試,以及(c)器件布局和布線。在(a)設(shè)計和(b)仿真 階段投入時間可以證明設(shè)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,在測試臺上測試。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(shè)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。
此專題分兩部分討論,本文是第二部分,主要介紹在設(shè)計多軌電源時可能會忽略的一些問題。第一部分著重介紹策略和拓?fù)?,本文則重點討論功率預(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現(xiàn)高質(zhì)量的初始設(shè)計,以重點突出一些功率預(yù)算和 路由技巧。
在電源設(shè)計中,精心的布局和布線對于能否實現(xiàn)出色設(shè)計至關(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,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)計的效率
設(shè)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制造,以及通過載入電路實施原型制作應(yīng)力測試之后。這部分使用真實的設(shè)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(shè)計缺陷和其他陷阱,以免未來需要重新設(shè)計和/或重新制作PCB。圖1顯示在沒有進行細(xì)致測試和余量分析的情況下,在設(shè)計進入生產(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,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)期運行,但在全速模式或不穩(wěn)定數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)時(已排除噪聲和干擾之后)不能按預(yù)期運行的系統(tǒng)。
退出級聯(lián)階段時,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。為了提高效率,設(shè)計人員應(yīng)分接3.3 V電軌,而不是5 V輸入電源。3.3 V輸出被進一步切斷,以為PSU2 (LT1965)供電,這款LDO穩(wěn)壓器用于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行。但是,當(dāng)系統(tǒng)初始化并開始全速運行時——例如,當(dāng)微處理器和/或ADC開始高速采樣時——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) 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(shù)值的前提是效率為100%,但是因為供電過程中會出現(xiàn)損耗,所以實際功率要低于該數(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、電流更高的器件進行 替換;最糟糕的情況下,則需要完全重新設(shè)計和制造PCB。如果能在概念設(shè)計階段開始之前考慮功率預(yù)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(chuàng)建真實的功率預(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(shù)量不足、錯誤的接觸點大小等導(dǎo)致軌道被燒 毀,進而引發(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,那么設(shè)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?。ń佑|面積)、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,那么應(yīng)確保您的設(shè)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(dǎo)體(或觸點)的載流能力來輕松實現(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,要實現(xiàn)17 A需要6個引腳(且具備1A余量)。V CC 和GND一共需要12個引腳。要減少觸點個數(shù),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(zhì)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,因為受PSU和系統(tǒng)電路的空間限制,無法實現(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。
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行連接。連接完成后,這個過孔會作為保險絲使用,它會熔斷,并斷開與相鄰層的電源連接。設(shè)計不良的過孔后期很難改善和解決,因為熔斷的過孔很難注意到,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)計技巧沒有考慮這些依賴關(guān)系,但是,設(shè)計人員在確定布局參數(shù)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(shè)計人員在完成原理圖設(shè)計后,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運行(為控制器IC),那么控制IC通常無需要使用外露焊盤,因為它的主要制熱源(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(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,(a)確保將這些孔(許多排成陣列)連接到地平面以進行散熱(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)計基礎(chǔ)”tutorial MT-093,2 AN136: “非隔離開關(guān)電源的PCB布局考量,”3 and AN139: “Power 電源布局和EMI。”4
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,請訪問 EngineerZone®。5
結(jié)論與匯總
要設(shè)計低噪聲、不會因為電軌或過孔燒毀而影響系統(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挑戰(zhàn)。本文強調(diào)了一些設(shè)計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。/p>
原理圖和模擬只是設(shè)計的第一步,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。
參考電路
1 61302221121連接引腳。 Würth Elektronik.
2 MT-093教程: "散熱設(shè)計基礎(chǔ)。" ADI公司,2009年。
3 應(yīng)用筆記136: "非隔離開關(guān)電源的PCB布局考量。" 凌力爾特,2012年6月。
4 應(yīng)用筆記139: "電源布局和EMI。" 凌力爾特,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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