应用电路板的多轨电源设计——第 2 部分:布局技巧

时间:2021-02-05 11:02来源:ADI公司 Ching Man,现场应用工程师

摘要:此专题分两部分讨论,本文是第二部分,主要介绍在设计多轨电源时可能会忽略的一些问题。第一部分着重介绍策略和拓扑,本文则重点讨论功率预算和电路板布局的细节。由于许多应用电路板需要多个电源轨道,所以这个分两部分介绍的专题详细介绍多电源电路板解决方案。目标是通过合理的器件定位和路由来实现高质量的初始设计,以重点突出一些功率预算和路由技巧。

简介:工程师在不断发展的时代所面临的挑战
电源设计可以分为三个阶段:(A)设计策略和IC选择,(b)原理图设计、仿真和测试,以及(c)器件布局和布线。在(a)设计和(b)仿真阶段投入时间可以证明设计概念的有效性,但真正测试时,需要将所有一切组合在一起,在测试台上测试。在本文中,我们将直接跳到步骤(c),因为目前已有大量资料介绍ADI的模拟和设计电源工具,都可免费下载,例如LTpowerPlanner®、LTpowerCad®、LTspice®和LTpowerPlay®。此专题的第一部分主要介绍(a)策略。
 
此专题分两部分讨论,本文是第二部分,主要介绍在设计多轨电源时可能会忽略的一些问题。第一部分着重介绍策略和拓扑,本文则重点讨论功率预算和电路板布局的细节。由于许多应用电路板需要多个电源轨道,所以这个分两部分介绍的专题详细介绍多电源电路板解决方案。目标是通过合理的器件定位和路由来实现高质量的初始设计,以重点突出一些功率预算和路由技巧。
 
在电源设计中,精心的布局和布线对于能否实现出色设计至关重要,要为尺寸、精度、效率留出足够空间,以避免在生产中出现问题。我们可以利用多年的测试经验,以及布局工程师具备的专业知识,最终完成电路板生产。
 
精心的设计的效率
设计从图纸上看起来可能毫无问题(也就是说,从原理图角度),甚至在模拟期间也没有任何问题,但真正的测试其实是在布局、PCB制造,以及通过载入电路实施原型制作应力测试之后。这部分使用真实的设计示例,介绍一些技巧来帮助避开陷阱。我们将介绍几个重要概念,以帮助避开设计缺陷和其他陷阱,以免未来需要重新设计和/或重新制作PCB。图1显示在没有进行细致测试和余量分析的情况下,在设计进入生产之后会如何造成成本急速上涨。
 
 
图1.生产的电路板出现问题时,成本可能急速上涨
 
功率预算
 
您需要注意在正常情况下按预期运行,但在全速模式或不稳定数据开始出现时(已排除噪声和干扰之后)不能按预期运行的系统。
 
退出级联阶段时,要避免限流情况。图2所示为一个典型的级联应用:(A) 显示由产生3.3 V电源,电流最大500 mA的ADP5304降压稳压器(PSU1)构成的设计。为了提高效率,设计人员应分接3.3 V电轨,而不是5 V输入电源。3.3 V输出被进一步切断,以为PSU2 (LT1965)供电,这款LDO稳压器用于进一步将电压降低至2.5 V,且按照板载2.5 V电路和IC的要求,将最大输出电流限制在1.1 A。
 
这种系统存在一些很典型的隐藏问题。它在正常情况下能够正常运行。但是,当系统初始化并开始全速运行时——例如,当微处理器和/或ADC开始高速采样时——问题就出现了。由于没有稳压器能在输出端生成高于输入端的电压,在图2a中,用于为合并电路VOUT1和VOUT2供电的VOUT1最大功率(P = V × I)为3.3 V × 0.5 A = 1.65 W。得出此数值的前提是效率为100%,但是因为供电过程中会出现损耗,所以实际功率要低于该数值。假定2.5 V电源轨道的最大可用功率为2.75 W。如果电路试图获取这么多的功率,但这种要求得不到满足,就会在PSU1开始限流时出现不规律行为。电流可能由于PSU1而开始限流,更糟的是,有些控制器因过流完全关断。
 
如果图2a是在成功排除故障后实施,则可能需要更高功率的控制器。最理想的情况是使用与引脚兼容、电流更高的器件进行替换;最糟糕的情况下,则需要完全重新设计和制造PCB。如果能在概念设计阶段开始之前考虑功率预算,则可以避免潜在的项目计划延迟(参见图1)。
 
在考虑这一点的情况下,先创建真实的功率预算,然后选择控制器。包括您所需的所有电源电轨:2.5 V、3.3 V、5 V等。包括所有会消耗每个电轨功率的上拉电阻、离散器件和IC。使用这些值反向工作,以如图2b所示,估算您需要的电源。使用电力树系统设计工具,例如LTpowerPlanner(图3)来轻松创建支持所需的功率预算的电力树。
 
 
图2.避开电力树中的限流设计缺陷
 
图3.LTpowerPlanner电
 
 
图4.物理接触和电流处理能力
 
布局和布线
正确的布局和布线可以避免因错误的走线宽度、错误的通孔、引脚(连接器)数量不足、错误的接触点大小等导致轨道被烧毁,进而引发电流限制。下面章节介绍了一些值得注意的地方,也提供几个PCB设计技巧。
 
连接器和引脚接头
 
将图2中所示的示例的总电流扩展至17 A,那么设计人员必须考虑引脚的电流处理接触能力,如图4所示。一般来说,引脚或接触点的载流能力受几个因素影响,例如引脚的大小(接触面积)、金属成分等。直径为1.1 mm1的典型过孔凸式连接引脚的电流约为3 A。如果需要17 A,那么应确保您的设计具有足够多的引脚,足以处理总体的载流容量。这可以通过增大每个导体(或触点)的载流能力来轻松实现,并保留一些安全裕度,使其载流能力超过PCB电路的总电流消耗。
 
在本例中,要实现17 A需要6个引脚(且具备1A余量)。VCC和GND一共需要12个引脚。要减少触点个数,可以考虑使用电源插座或更大的触点。
 
布线
 
使用可用的线上PCB工具来帮助确定布局的电流能力。一盎司电轨宽度为1.27 mm的铜质PCB的载流能力约为3 A,电轨宽度为3 mm时,载流能力约为5 A。还要留出一些余量,所以20 A的电轨的宽度需要达到19 mm(约20 mm)(请注意,本例未考虑温度升高带来的影响)。从图4可以看出,因为受PSU和系统电路的空间限制,无法实现20 mm电轨宽度。要解决这个问题,一个简单的解决方案是使用多层PCB。将布线宽度降低到(例如)3 mm,并将这些布线复制到PCB中的所有层上,以确保(所有层中的)布线的总和能够达到至少20 A的载流能力。

过孔和连接
 
图5显示一个过孔示例,该过孔正在连接控制器的PCB的多个电源层。如果您选择1 A过孔,但需要2 A电流,那么电轨宽度必须能够携带2 A的电流,且过孔连接也要能够处理这个电流。图5所示的示例至少需要两个过孔(如果空间允许,最好是三个),用于将电流连接至电源层。这个问题经常被忽略,一般只使用一个过孔来进行连接。连接完成后,这个过孔会作为保险丝使用,它会熔断,并断开与相邻层的电源连接。设计不良的过孔后期很难改善和解决,因为熔断的过孔很难注意到,或者被其他器件遮住。
 
 
图5.过孔连接
 
请注意关于过孔和PCB电轨的下列参数:电轨宽度、过孔尺寸和电气参数受几个因素影响,例如PCB涂层、路由层、工作温度等,这些因素最终会影响载流能力。以前的PCB设计技巧没有考虑这些依赖关系,但是,设计人员在确定布局参数时,需要注意到这些。目前许多PCB电轨/过孔计算器都可在线使用。设计人员在完成原理图设计后,最好向PCB制造商或布局工程师咨询这些细节。
 
避免过热
有许多因素会导致生热,例如外壳、气流等,但本节主要讲述外露的焊盘。带有外露焊盘的控制器,例如LTC3533、ADP5304、ADP2386、ADP5054等,如果正确连接至电路板,其热阻会更低。一般来说,如果控制器IC的功率MOSFET是置于裸片之中(即是整片式的),该IC的焊盘通常外露,以便散热。如果转换器IC使用外部功率MOSFET运行(为控制器IC),那么控制IC通常无需要使用外露焊盘,因为它的主要制热源(功率MOSFET)本身就在IC外部。
 
通常,这些外露的焊盘必须焊接到PCB接地板上才有效。根据IC的不同,也有一些例外,有些控制器会指明,它们可以连接至隔离的焊盘PCB区域,以作为散热器进行散热。如果不确定,请参阅有关部件的数据表。
 
当您将外露的焊盘连接到PCB平面或隔离区域时,(a)确保将这些孔(许多排成阵列)连接到地平面以进行散热(热传递)。对于多层PCB接地层,建议利用过孔将焊盘下方所有层上的接地层连在一起。如需更多信息,请参阅“散热设计基础”教程 MT-093、2AN136:“非隔离开关电源的PCB布局考量,”3,以及AN139:“电源布局和EMI。”4
 
请注意,关于外露焊盘的讨论是与控制器相关。在其他IC中使用外露焊盘可能需要使用极为不同的处理方法。如需了解更多与使用外露焊盘相关的讨论,请访问EngineerZone。®5
 
结论与汇总
要设计低噪声、不会因为电轨或过孔烧毁而影响系统电路的电源,从成本、效率、效率和PCB面积大小各方面来说都是一项挑战。本文强调了一些设计人员可能会忽略的地方,例如使用功率预算分析来构建电力树,以支持所有的后端负载。
 
原理图和模拟只是设计的第一步,之后是谨慎的器件定位和路由技术。过孔、电轨和载流能力都必须符合要求,并接受评估。如果接口位置存在开关噪声,或者开关噪声到达IC的功率引脚,那么系统电路会失常,且难以隔离并排除故障。
 
参考资料
1 61302221121连接引脚。Würth Elektronik。
2 MT-093教程:“散热设计基础。”ADI公司,2009年。
3 应用笔记136:“非隔离开关电源的PCB布局考量。”凌力尔特,2012年6月。
4 应用笔记139:“电源布局和EMI。”凌力尔特,2012年10月。
5 AD8045裸露焊盘连接。EngineerZone,2011年1月。
 
作者简介
Ching Man是欧洲中央应用中心的应用工程师,工作地点在爱尔兰利默里克。他在应用、硬件系统和ASIC设计领域拥有超过27年的经验。Ching于2007年加入ADI公司,面向欧洲市场提供高速ADC、DAC、3D飞行时间成像、LIDAR和软件定义的无线电(SDR)等相关设计技术支持。他分别于1991年和1993年获得英国伦敦威斯敏斯特大学的电子工程(荣誉)学士学位和VLSI和数字信号处理系统硕士学位。
 
Ching在IEEE、IET、electronica发表多篇文章并撰写ADI指南、研讨会和会议论文。此外,他于1998年获得特许工程师资质,目前是英国工程技术学会(IET)的成员。他目前的研究活动涉及系统、ASIC和算法架构、信号处理和降噪技术,以及aquamarine光纤声呐传感器系统设计、应用和开发。

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