在本文中，將重點(diǎn)介紹功率預(yù)算和電路板布局的各種細(xì)節(jié)。由于許多應(yīng)用板需要多個(gè)電源軌，因此本系列研究了多電源板解決方案。目標(biāo)是通過良好的組件布局和布線實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的初始設(shè)計(jì)，以突出一些功率預(yù)算和布線技巧和竅門。

電源設(shè)計(jì)可分為三個(gè)主要階段：（1）設(shè)計(jì)策略和IC選擇；（2）原理圖設(shè)計(jì)、仿真和測試；（3）布局和布線。在（1）設(shè)計(jì)和（2）仿真階段投入時(shí)間可以證明設(shè)計(jì)概念的有效性，但真正的測試需要將它們放在一起并在臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行測試。在本文中，主要講解怎么布線。

在電源設(shè)計(jì)中，仔細(xì)的布局和布線對(duì)于在尺寸、精度、效率和避免生產(chǎn)問題方面具有足夠裕量的穩(wěn)健設(shè)計(jì)至關(guān)重要。多年的臺(tái)式經(jīng)驗(yàn)會(huì)有所幫助，因此在電路板制造的最終完成方面依靠布局工程師的知識(shí)。

設(shè)計(jì)可能在紙面上看起來很可靠（即從原理圖的角度來看），甚至可以毫無問題地進(jìn)行模擬，但真正的測試是在布局、PCB制造和通過加載電路進(jìn)行原型應(yīng)力測試之后。本節(jié)通過使用真實(shí)的設(shè)計(jì)示例重點(diǎn)介紹一些避免陷阱的技巧和竅門。一些重要的概念有助于避免可能導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)和/或PCB重新設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)缺陷和其他陷阱。圖1顯示了如果設(shè)計(jì)在沒有仔細(xì)測試和裕量分析的情況下進(jìn)入生產(chǎn)階段，成本會(huì)如何迅速上升。

功率預(yù)算

注意在正常條件下按預(yù)期運(yùn)行的系統(tǒng)，但在全速模式下或開始出現(xiàn)不穩(wěn)定數(shù)據(jù)時(shí)（已排除噪聲和干擾時(shí)）則不然。

在分接級(jí)聯(lián)階段時(shí)避免電流限制情況。圖2顯示了一個(gè)典型的級(jí)聯(lián)應(yīng)用：圖中顯示了一個(gè)由ADP5304降壓穩(wěn)壓器（PSU1）組成的設(shè)計(jì)，可產(chǎn)生最大電流為500mA的3.3V電源。為提高效率，設(shè)計(jì)人員應(yīng)接上3.3V電源軌而不是輸入的5V電源。3.3V輸出進(jìn)一步分流為PSU2（LT1965）供電，該LDO穩(wěn)壓器用于進(jìn)一步調(diào)節(jié)至2.5V，最大輸出電流為1.1A，符合板載2.5V電路和IC的要求。

這是一個(gè)帶有一些經(jīng)典隱藏問題的系統(tǒng)。系統(tǒng)在正常情況下工作正常。但是當(dāng)系統(tǒng)初始化并開始全速運(yùn)行時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題——例如，當(dāng)微處理器和/或ADC開始高速采樣時(shí)。由于沒有穩(wěn)壓器可以在其輸出端產(chǎn)生比輸入端更多的功率，因此在圖2a中，VOUT1處的最大功率（P=V×I）為3.3V×0.5A=1.65W，以向組合電路VOUT1和VOUT12。這假定效率為100%，因此由于電源損耗，可用功率較少。假設(shè)2.5V電源軌的最大可用功率為2.75W。如果電路試圖要求如此大的功率，它們將不會(huì)得到滿足，從而導(dǎo)致PSU1開始達(dá)到電流限制時(shí)的不穩(wěn)定行為。由于PSU1，電流可能會(huì)開始限制，或者更糟的是，某些穩(wěn)壓器會(huì)因過流而完全關(guān)閉。

如果在成功排除故障后實(shí)施圖2a，則可能需要更換更高的功率調(diào)節(jié)器。最好的情況是引腳兼容的更高電流替代品；最壞的情況是完全重新設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)PCB。通過在設(shè)計(jì)概念階段之前牢記功率預(yù)算，可以避免潛在的項(xiàng)目延遲時(shí)間表（見圖1）。

考慮到這一點(diǎn)，在選擇一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)壓器之前，請(qǐng)創(chuàng)建一個(gè)切合實(shí)際的功率預(yù)算。包括所有所需的電源軌：2.5V、3.3V、5V等。包括所有上拉電阻、分立器件和每個(gè)軌消耗功率的IC。使用這些值并反向計(jì)算您的電源需求，如圖2b所示。使用電源樹系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，可以輕松創(chuàng)建支持所需功率預(yù)算的電源樹。


布局、跟蹤和布線

正確的布局、走線和布線可避免由于走線寬度錯(cuò)誤、過孔錯(cuò)誤、引腳（連接器）數(shù)量不足、接觸尺寸錯(cuò)誤等導(dǎo)致走線燒毀導(dǎo)致的電流容量限制。以下部分包括一些值得注意的一些PCB設(shè)計(jì)技巧。

連接器和排針

將圖2中所示的示例擴(kuò)展到17A的總電流，設(shè)計(jì)人員必須考慮引腳（或多個(gè)引腳）處的電流處理接觸能力，如圖3所示。通常，引腳或觸點(diǎn)的載流能力取決于幾個(gè)因素，例如物理引腳尺寸（接觸面積）、金屬成分等。直徑為1.1mm1的典型通孔公頭引腳約為3A。如果需要17A，請(qǐng)確保您的設(shè)計(jì)有足夠的電流引腳來處理總電流承載能力。這很容易通過乘以每個(gè)導(dǎo)體（或觸點(diǎn)）的載流能力和一些安全裕度來超過PCB電路的總電流消耗來實(shí)現(xiàn)。

在本例中，要達(dá)到17A需要6個(gè)引腳（具有1A裕量）。VCC和GND總共需要12個(gè)引腳。要減少觸點(diǎn)數(shù)量，請(qǐng)考慮使用電源插孔或更大的觸點(diǎn)。

走線

使用可用的在線PCB工具來幫助確定布局中的當(dāng)前能力。具有1.27毫米走線寬度的1盎司銅PCB產(chǎn)生大約3A的載流能力，而3毫米走線寬度產(chǎn)生大約5A的載流能力。留出一些凈空，20A軌道需要19毫米（約20毫米）的寬度（請(qǐng)注意，此示例中未考慮溫度升高）。從圖3中可以看出，由于用于PSU和系統(tǒng)電路的空間限制，20毫米的軌道寬度是不可行的。為了解決這個(gè)問題，一個(gè)簡單的解決方案是使用多個(gè)PCB層。減少走線寬度（例如，減少到3毫米）并將這些走線復(fù)制到PCB中的所有可用層，以確保總組合走線（在所有層中）至少滿足20A的電流能力。

過孔和拼接

圖4顯示了從穩(wěn)壓器縫合PCB電源層的過孔示例。如果選擇了1A過孔并且您的電源要求是2A，則軌道寬度必須能夠承載2A并且過孔縫合也必須能夠處理它。圖4中的示例需要至少兩個(gè)過孔（如果空間可用，最好是三個(gè)）將電流縫合到電源層。當(dāng)僅使用單個(gè)過孔進(jìn)行拼接時(shí)，這一點(diǎn)通常會(huì)被忽略。完成后，通孔就像保險(xiǎn)絲一樣，會(huì)燒斷并斷開與相鄰平面的電源。設(shè)計(jì)不足的過孔可能很難排除故障，因?yàn)檫^孔可能不明顯，或者可能很難看到它是否被組件擋住了。

請(qǐng)注意過孔和PCB走線的以下參數(shù)：走線寬度、過孔尺寸和電氣參數(shù)取決于影響最終載流能力的幾個(gè)因素，例如PCB電鍍、布線層、工作溫度等。之前的PCB設(shè)計(jì)技巧并未考慮這些相關(guān)性，但設(shè)計(jì)人員在確定布局參數(shù)時(shí)應(yīng)注意這些。許多PCB走線/過孔計(jì)算器可在線獲取。強(qiáng)烈建議設(shè)計(jì)人員在原理圖設(shè)計(jì)后咨詢他們的PCB制造商或布局工程師，并牢記這些細(xì)節(jié)。

避免過熱

許多因素都可能導(dǎo)致散熱問題，例如外殼、氣流等，但本節(jié)重點(diǎn)介紹裸露的焊盤。如果正確連接到電路板，帶有裸露焊盤的穩(wěn)壓器的熱阻較低。一般而言，如果穩(wěn)壓器IC具有設(shè)計(jì)在芯片中的功率MOSFET（即它是單片的），則該IC通常具有用于散熱的裸露焊盤。如果轉(zhuǎn)換器IC使用外部功率MOSFET（它是控制器IC）運(yùn)行，那么控制IC通常不需要外露焊盤，因?yàn)橹饕臒嵩矗üβ蔒OSFET）在IC外部。

通常，這些裸露的焊盤必須焊接到PCB地平面上才能有效。根據(jù)IC的不同，也有例外，因?yàn)橐恍┮?guī)定它們可以連接到隔離的焊接PCB區(qū)域，作為散熱片的散熱片。如果不確定，請(qǐng)參閱相關(guān)部件的數(shù)據(jù)表。

當(dāng)您將裸露焊盤連接到PCB平面或隔離區(qū)域時(shí)，確保將這些過孔（其中許多是陣列形式）連接到接地平面以進(jìn)行散熱（熱傳遞）。對(duì)于多層PCB接地平面，建議將焊盤下方所需的接地平面（在所有層上）與過孔連接在一起。

以上就是英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師分享的“多軌電源設(shè)計(jì)的布局與技巧”。英銳恩專注單片機(jī)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)與開發(fā)，提供8位單片機(jī)、16位單片機(jī)、32位單片機(jī)。