簡介：工程師在不斷發展的時代所麵臨的挑戰

 

電源設計可以分為三個階段：(A)設計策略和IC選擇，(b)原理圖設計
、仿真和測試


，以及(c)器件布局和布線。在(a)設計和(b)仿真 階段投入時間可以證明設計概念的有效性
，但真正測試時，需要將所有一切組合在一起，在測試台上測試。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ci專zhuan題ti分fen兩liang部bu分fen討tao論lun，本ben文wen是shi第di二er部bu分fen，主zhu要yao介jie紹shao在zai設she計ji多duo軌gui電dian源yuan時shi可ke能neng會hui忽hu略lve的de一yi些xie問wen題ti。第di一yi部bu分fen著zhe重zhong介jie紹shao策ce略lve和he拓tuo撲pu
，本ben文wen則ze重zhong點dian討tao論lun功gong率lv預yu算suan和he電dian路lu板ban布bu局ju的de細xi節jie。由you於yu許xu多duo應ying用yong電dian路lu板ban需xu要yao多duo個ge電dian源yuan軌gui道dao，所suo以yi這zhe個ge分fen兩liang部bu分fen介jie紹shao的de專zhuan題ti詳xiang細xi介jie紹shao多duo電dian源yuan電dian路lu板ban解jie決jue方fang案an。目mu標biao是shi通tong過guo合he理li的de器qi件jian定ding位wei和he路lu由you來lai實shi現xian高gao質zhi量liang的de初chu始shi設she計ji，以yi重zhong點dian突tu出chu一yi些xie功gong率lv預yu算suan和he 路由技巧。

 

在電源設計中
，精心的布局和布線對於能否實現出色設計至關重要

，要為尺寸
、精度
、效(xiao)率(lv)留(liu)出(chu)足(zu)夠(gou)空(kong)間(jian)，以(yi)避(bi)免(mian)在(zai)生(sheng)產(chan)中(zhong)出(chu)現(xian)問(wen)題(ti)。我(wo)們(men)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)多(duo)年(nian)的(de)測(ce)試(shi)經(jing)驗(yan)，以(yi)及(ji)布(bu)局(ju)工(gong)程(cheng)師(shi)具(ju)備(bei)的(de)專(zhuan)業(ye)知(zhi)識(shi)
，最(zui)終(zhong)完(wan)成(cheng)電(dian)路(lu)板(ban)生(sheng)產(chan)。

 

精心的設計的效率

 

設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製造，以及通過載入電路實施原型製作應力測試之後。這部分使用真實的設計示例
，介紹一些技巧來幫助避開陷 阱。我們將介紹幾個重要概念，以幫助避開設計缺陷和其他陷阱，以免未來需要重新設計和/或重新製作PCB。圖1顯示在沒有進行細致測試和餘量分析的情況下，在設計進入生產之後會如何造成成本急速上漲。

 

圖1. 生產的電路板出現問題時，成本可能急速上漲。

 

功率預算

 

您需要注意在正常情況下按預期運行，但在全速模式或不穩定數據開始出現時（已排除噪聲和幹擾之後）不能按預期運行的係統。

 

退出級聯階段時，要避免限流情況。圖2所示為一個典型的級聯應用：(A) 顯示由產生3.3 V電源，電流最大500 mA的ADP5304 降壓 穩壓器(PSU1)構成的設計。為了提高效率
，設計人員應分接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穩壓器用於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

，將最大輸出電流限製在1.1 A。

 

這種係統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，當係統初始化並開始全速運行時——例如，當微處理器和/或ADC開始高速采樣時——問題就出現了。由於沒有穩壓器能在輸出端生成高於輸入端的電壓
，在圖2a中，用於為合 並電路V_OUT1 和V_OUT2 供電的 V_OUT1 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。得出此數值的前提是效率為100%，但是因為供電過程中會出現損耗
，所以實際功率要低於該數值。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麼多的功率
，但這種要求得不到滿足，就會在PSU1開始限流時出現不規律行為。電流可能由於PSU1而開始限流，更糟的是
，有些控製器因過流完全關斷。

 

如果圖2a是在成功排除故障後實施，則可能需要更高功率的控製器。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，則需要完全重新設計和製造PCB。如果能在概念設計階段開始之前考慮功率預算，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

，先創建真實的功率預算
，然後選擇控製器。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。使用電力樹係統設計工具，例如LTpowerPlanner（圖3）來輕鬆創建支持所需的功率預算的電力樹。

 

圖2. 避開電力樹中的限流設計缺陷。

 

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）數量不足
、錯誤的接觸點大小等導致軌道被燒 毀，進而引發電流限製。下麵章節介紹了一些值得注意的地方，也提供幾個PCB設計技巧。

 

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，那麼設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，例如引腳的大小（接觸麵積）
、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
，那麼應確保您的設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體（或觸點）的載流能力來輕鬆實現，並保留一些安全裕度，使其載流能力超過PCB電路的總電流消耗。在本例中，要實現17 A需要6個引腳（且具備1A餘量）。V _CC 和GND一共需要12個引腳。要減少觸點個數
，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。還要留出一些餘量，所以20 A的電軌的寬度需要達到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和係統電路的空間限製，無法實現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，並將這些布線複製到PCB中的所有層上
，以確保（所有層中的）布線的總和能夠達到至少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
，該過孔正在連接控製器的PCB的多個電源層。如果您選擇1 A過孔，但需要2 A電流，那麼電軌寬度必須 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(yong)於(yu)將(jiang)電(dian)流(liu)連(lian)接(jie)至(zhi)電(dian)源(yuan)層(ceng)。這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)經(jing)常(chang)被(bei)忽(hu)略(lve)
，一(yi)般(ban)隻(zhi)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)過(guo)孔(kong)來(lai)進(jin)行(xing)連(lian)接(jie)。連(lian)接(jie)完(wan)成(cheng)後(hou)，這(zhe)個(ge)過(guo)孔(kong)會(hui)作(zuo)為(wei)保(bao)險(xian)絲(si)使(shi)用(yong)，它(ta)會(hui)熔(rong)斷(duan)

，並(bing)斷(duan)開(kai)與(yu)相(xiang)鄰(lin)層(ceng)的(de)電(dian)源(yuan)連(lian)接(jie)。設(she)計(ji)不(bu)良(liang)的(de)過(guo)孔(kong)後(hou)期(qi)很(hen)難(nan)改(gai)善(shan)和(he)解(jie)決(jue)，因(yin)為(wei)熔(rong)斷(duan)的(de)過(guo)孔(kong)很(hen)難(nan)注(zhu)意(yi)到(dao)，或(huo)者(zhe)被(bei)其(qi)他(ta)器(qi)件(jian)遮(zhe)住(zhu)。

 

圖5. 過孔連接。

 

請注意關於過孔和PCB電軌的下列參數：電軌寬度、過孔尺寸和電氣參數受幾個因素影響，例如PCB塗層
、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設計技巧沒有考慮這些依賴關係，但是
，設計人員在確定布局參數時，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。設計人員在完成原理圖設計後，最好向PCB製造商或布局工程師谘詢這些細節。

 

避免過熱

 

有許多因素會導致生熱，例如外殼、氣流等
，但本節主要講述外露的焊盤。帶有外露焊盤的控製器，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
，如果控製器IC的功率MOSFET是置於裸片之中（即是整片式的），該IC的焊盤通常外露，以便散熱。如果轉換器IC使用外部功率MOSFET運行（為控製器IC），那麼控製IC通常無需要使用外露焊盤

，因為它的主要製熱源（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IC的不同，也有一些例外，有些控製器會指明，它們可以連接至 隔離的焊盤PCB區域，以作為散熱器進行散熱。如果不確定，請參閱有關部件的數據表。

 

當您將外露的焊盤連接到PCB平麵或隔離區域時，(a)確保將這些孔（許多排成陣列）連接到地平麵以進行散熱（熱傳遞）。對於 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 “散熱設計基礎”tutorial MT-093,² AN136: “非隔離開關電源的PCB布局考量，”³ and AN139: “Power 電源布局和EMI。”⁴

 

請注意，關於外露焊盤的討論是與控製器相關。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的討論

，請訪問 EngineerZone®。⁵

 

結論與彙總

 

要設計低噪聲
、不會因為電軌或過孔燒毀而影響係統電路的電源，從成本、效率、效率和PCB麵mian積ji大da小xiao各ge方fang麵mian來lai說shuo都dou是shi一yi項xiang挑tiao戰zhan。本ben文wen強qiang調tiao了le一yi些xie設she計ji人ren員yuan可ke能neng會hui忽hu略lve的de地di方fang
，例li如ru使shi用yong功gong率lv預yu算suan分fen析xi來lai構gou建jian電dian力li樹shu
，以yi支zhi持chi所suo有you的de後hou端duan負fu載zai。/p>

 

原理圖和模擬隻是設計的第一步
，之後是謹慎的器件定位和路由技術。過孔

、電軌和載流能力都必須符合要求，並接受評估。如果接口位置存在開關噪聲，或者開關噪聲到達IC的功率引腳
，那麼係統電路會失常，且難以隔離並排除故障。

 

參考電路

 

¹ 61302221121連接引腳。 Würth Elektronik.

 

² MT-093教程： "散熱設計基礎。" ADI公司，2009年。

 

³ 應用筆記136： "非隔離開關電源的PCB布局考量。" 淩力爾特
，2012年6月。

 

⁴ 應用筆記139： "電源布局和EMI。" 淩力爾特，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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