PCB電源布局指南

設(shè)計(jì)不包含電源元件的PCB是不尋常的，但僅僅因?yàn)樗且粋€(gè)通用元件并不意味著它不會給PCB設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。有兩種主要的變體需要考慮，線性電源和開關(guān)模式電源。這些都對 PCB布局有挑戰(zhàn)。

線性電源

線性電源電路本質(zhì)上很簡單，很少有組件可以直接安裝在PCB上。挑戰(zhàn)在于這些電路效率低下，這導(dǎo)致需要將大量功率損耗管理為輻射和傳導(dǎo)熱能。當(dāng)溫度敏感元件安裝在PCB上或封閉在環(huán)境密封的外殼中以進(jìn)行保護(hù)時(shí)，這個(gè)問題可能具有挑戰(zhàn)性，限制了冷卻選項(xiàng)。

開關(guān)電源

開關(guān)電源電路比線性電源更復(fù)雜，但效率更高。這很好，因?yàn)樗鼫p少了PCB設(shè)計(jì)人員處理熱管理的工程時(shí)間，但不幸的是，它帶來了一系列不同的問題。開關(guān)電路可能會產(chǎn)生大量的電磁噪聲，PCB設(shè)計(jì)人員需要對其進(jìn)行管理。這種電噪聲會影響PCB上的其他電路元件，并會發(fā)射到電路板之外影響附近的設(shè)備。在極端情況下，電源電路產(chǎn)生的噪聲會通過主電源線傳導(dǎo)回，從而影響連接到同一主電源的其他設(shè)備。

另一個(gè)潛在的噪聲問題是，開關(guān)模式電路往往會在輸出端產(chǎn)生紋波電壓，如果管理不當(dāng)，可能會通過平行或成束導(dǎo)線走線之間的電容或電感耦合在電路板上產(chǎn)生干擾。有一個(gè)更微妙的問題是安裝開關(guān)電路的PCB上可能出現(xiàn)接地反彈。快速開關(guān)會導(dǎo)致電路板中開關(guān)組件連接到接地層的點(diǎn)的接地電位發(fā)生短暫變化。這會導(dǎo)致電路板地平面上出現(xiàn)暫時(shí)的電位差。在極端情況下，這種差異可能會導(dǎo)致電路板遠(yuǎn)處的組件觀察到由這種虛假電位差引起的感知信號并對其做出反應(yīng)。

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接地

除非空間受到限制，否則允許電路板設(shè)計(jì)包含堅(jiān)固的電源接地層以提供電磁屏蔽。如果無法將整個(gè)層投入使用，請至少考慮覆蓋電源組件下方整個(gè)區(qū)域的接地多邊形。

電源的地平面應(yīng)與電路其余部分的公共地分開，減少噪聲耦合效應(yīng)。此外，這兩個(gè)地之間的連接應(yīng)限制在板上的一點(diǎn)，以防止接地環(huán)路。

微量電導(dǎo)率

使電源電路的走線盡可能短而寬，以減少電阻損耗和電磁噪聲輻射。在空間允許的情況下，建議使用多邊形澆筑。這對于熱導(dǎo)率至關(guān)重要的線性電源尤其重要。

建議在電路板設(shè)計(jì)中包含使用通孔連接電源和接地平面的實(shí)心填充內(nèi)層，以獲得更大效果。應(yīng)避免使用通孔將電源走線從一層切換到另一層，因?yàn)橥讓⒊洚?dāng)阻抗增加的點(diǎn)。連接多邊形的多個(gè)通孔提供了更好的解決方案。

性能將受到銅層厚度的影響，盡管增加厚度會帶來價(jià)格溢價(jià)，因此可能需要在成本和性能之間進(jìn)行權(quán)衡。

增加導(dǎo)電性的另一種選擇是通過更改阻焊層在外板層上添加焊錫層。但是，您可以通過在電路板上安裝電源組件的點(diǎn)之間添加PCB匯流條或外部電線來獲得更好的性能。

元件放置

由于需要盡可能短的走線，電源組件應(yīng)以較佳方向盡可能靠近在一起，以實(shí)現(xiàn)較短的走線長度。這可以包括在電路板的兩側(cè)安裝零件以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

跟蹤路由

理想情況下，承載敏感信號的走線應(yīng)在未連接的板層上遠(yuǎn)離電源，通過接地層與電源走線隔開。信號走線不應(yīng)與承載電源的電源走線平行，以防止從電源到信號的噪聲耦合。如果接近是不可避免的，信號走線應(yīng)與電源走線成90度交叉，大限度地減少噪聲耦合效應(yīng)。

熱管理

所有電源電路都會產(chǎn)生熱量，因此電路板設(shè)計(jì)需要包括熱管理。因此，布局的首要考慮應(yīng)該是元件放置，盡可能將發(fā)熱元件與熱敏感元件分開，同時(shí)保持較短的走線長度。

下一個(gè)考慮是使用電路板的銅提供導(dǎo)熱性，以將熱量更均勻地分布在遠(yuǎn)離熱點(diǎn)和允許散熱的區(qū)域。

開關(guān)模式電源的一個(gè)潛在問題是反饋控制電路通常包含需要與發(fā)熱開關(guān)元件共置的溫度敏感元件。如果不加以檢查，熱點(diǎn)會導(dǎo)致電源不穩(wěn)定并加劇散熱問題。

電源可能是PCB中大多數(shù)熱和噪聲問題的來源，因此電路板設(shè)計(jì)必須從一開始就考慮到這一點(diǎn)。良好的電路板設(shè)計(jì)始于良好的電源布局。