開關電源的PCB布局指南

2021-03-12

開關電源的PCB布局指南

電路板的組件布局。

無論電路板的功能是什么，都將需要電源來操作，這通常是由板載電源產生的。通常在電路板上設計有兩種類型的電源：線性和開關模式。線性電源具有更簡單的電路和較低的組件成本，可提供可靠的電源。問題在于它們也效率低下，這在需要更高功率水平的電路板中是不希望的。

為了滿足大多數電路板不斷增長的功率需求，將改用開關電源（SMPS）。SMPS有不同類型，可以根據電路需求將其配置為輸出不同的電壓和電流。開關電源的工作效率很高，但如果布局不正確，也會給電路板帶來很多問題，例如電磁干擾（EMI）。為了幫助您避免這些問題，這里有一些開關電源的布局準則。

開關電源布局不正確的問題

開關電源通常是在印刷電路板上產生功率的首選方法。使用開關穩壓器轉換功率，SMPS將比線性電源更有效地產生電流，并且熱量更少，線性電源依賴于較大的發熱部件。但是，SMPS的正常開關操作可能會散發出噪聲，如果控制不當，則會增加或產生以下問題：

電磁干擾：在SMPS中，在開和關狀態之間切換電壓會產生電磁干擾。EMI不僅會干擾電路板外部的其他電子設備，還會破壞電路板上的電路。EMI可能會使電路板的信號和電源完整性下降，從而導致間歇性問題或徹底故障。 

接地彈跳：SMPS的快速開關活動會影響電路板的接地節點，使其參考接地電平彈跳高于其應有的水平。在人為的高地電平下，其他信號可能會錯誤切換，從而導致在這些電路中傳輸錯誤的數據。

電源紋波：電源開關的另一個問題是，它可能會形成電源紋波，從而可能在附近的電路中產生串擾。這種串擾可能會使較弱的信號過載，從而導致該電路的中斷。

如我們所見，開關電源的這些潛在噪聲問題可能會導致電路板出現許多電源完整性問題。為避免這些問題，重要的是要遵循良好的電源布局準則，首先要在布局工具中配置電路板。 

可以為您的布局設置許多參數，包括電源和接地層上的散熱。

開關電源的電路板布局參數

為了確保設計中的電源完整性，應為電源傳輸網絡（PDN）安排清晰的電路板布局。這樣，您的最終設計將最終獲得一個PDN，該PDN可以為所有組件提供干凈且不間斷的電源，而不會產生干擾。為此，必須首先設置的PCB參數是板層配置和堆疊。

重要的是從原理圖開始，該原理圖在開發過程中要走得足夠遠，以便識別板上的所有電源。根據這些信息，您可以開始配置層堆疊，以實現板的最佳信號完整性和電源完整性。 

這將意味著為最佳信號返回路徑定位電源和接地層，控制阻抗路由和電源隔離。通常，您的電路板制造商會在日常配置和構建電路板時為這些決策提供幫助，并且會對您的設計要求有最好的了解。

下一個要設置的參數將是設計規則和約束。除了常規的數字布線外，電源和接地布線還將涉及許多不同的走線寬度和間距值以及銅澆注屬性。盡管其中一些規則可能需要針對每個單獨的網絡進行控制，但是可以通過指定特定的網絡類別，然后為其分配不同的電源和接地網絡來控制許多規則。 

先進的PCB設計工具（例如Cadence Allegro的PCB編輯器）中的設計規則和約束條件將為您提供所有這些功能，以支持PDN的布線要求。接下來，讓我們看一下開關電源的一些特定放置和布線準則。

電源電路的布局，顯示組件的緊密放置。

開關電源的PCB布局和布線布局指南

電源布局的第一步是正確放置組件。電源應分布在整個板上，以便它們最靠近為其供電的設備。您還需要考慮電源組件的散熱，并將它們放置在可以充分冷卻的位置。降低開關電源電路的EMI的關鍵是使這些組件盡可能靠近放置，以使走線布線更短，更直接。首先從電源的主要組件開始，例如轉換器IC，再從輸入電容器和電感器開始，然后是輸出電容器。同樣重要的是，將零件保持在電路板的同一側，以避免在布線中使用過孔引起的阻抗。

放置好組件后，下一步就是將網絡連接在一起。以下是一些可以幫助您解決問題的路由提示：

緊緊放置組件后，請使布線盡可能短且盡可能直接。較短的走線將減小電感并減少可能產生的噪聲。

使用足夠大的走線寬度來處理正在傳導的電流。短跡線和寬跡線的組合也將有助于減少產生噪聲的機會。

在路由中使用45度角或圓角。

避免在電源電路中使用過孔。

請勿通過電源電路布線其他信號走線。

電源布局的最后一部分是根據先前針對板層堆疊配置所做的決策在電源平面和接地平面中布線。以下是一些關鍵注意事項：

 為了實現更好的噪聲控制，始終最好使用實體平面，而不要使用走線布線。

確保已繪制電源接地平面，使其包含所有電源部件，以幫助進行EMI屏蔽。

將電源接地層與設計其余部分的公共接地分開。這將有助于將電源噪聲與設計的其余部分隔離開。

對于必須連接到公共接地的電源接地，請確保它們僅在一個點連接，以免產生會輻射噪聲的天線。

不要在電源接地平面上路由數字信號，以防止其信號返回將隔離接地用作信號返回路徑。

為幫助冷卻熱的電源部件，請在它們下方使用散熱孔將其熱量散發到隔離的接地層中。

使用這些準則，可以減少開關電源可能產生的大量噪聲和干擾。您可以幫助自己的另一種方法是在電路板上布置電源時使用PCB設計工具的全部功能。

Allegro PCB編輯器中的約束管理器，顯示電源網絡的組織。