應用電路板的多軌電源設計—— 第2部分:佈局技巧

作者:ADI現場應用工程師Ching Man


簡介:工程師在不斷發展的時代所面臨的挑戰

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、模擬和測試,以及(c)元件佈局和佈線。在(a)設計和(b)模擬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的類比和設計電源工具,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。

此專題分兩部分討論,本文是第二部分,主要介紹在設計多軌電源時可能會忽略的一些問題。第一部分著重介紹策略和拓撲,本文則重點討論功率預算和電路板佈局的細節。由於許多應用電路板需要多個電源軌道,所以這個分兩部分介紹的專題詳細介紹多電源電路板解決方案。目標是透過合理的元件定位和路由來實現高品質的初始設計,以重點突出一些功率預算和路由技巧。

在電源設計中,精心的佈局和佈線對於能否實現出色設計至關重要,要為尺寸、精度、效率留出足夠空間,以避免在生產中出現問題。我們可以利用多年的測試經驗,以及佈局工程師具備的專業知識,最終完成電路板生產。

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佈局、PCB製造,以及透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,以協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顯示在沒有進行細緻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。

Figure 1. Costs can quickly escalate when problems show up on a production board.
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照預期運行,但在全速模式或不穩定資料開始出現時(已排除雜訊和干擾之後)不能按照預期運行的系統。

退出串聯階段時,要避免限流情況。圖2所示為一個典型的串聯應用:(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,將最大輸出電流限制在1.1 A。

這種系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,當系統初始化並開始全速運行時——例如,當微處理器和/或ADC開始高速採樣時——問題就出現了。由於沒有穩壓器能在輸出端產生高於輸入端的電壓,在圖2a中,用於為合併電路VOUT1和VOUT2供電的VOUT1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,但這種要求無法獲得滿足,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,有些控制器因過流完全關斷。

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制器。最理想的情況是使用與接腳相容、電流更高的元件進行替換;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,則可以避免潛在的專案計畫延遲(參見圖1)。

在考慮這一點的情況下,先創建真實的功率預算,然後選擇控制器。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、離散元件和IC。使用這些值反向工作,以如圖2b所示,估算您需要的電源。使用電源樹系統設計工具,例如LTpowerPlanner(圖3)來輕鬆創建支援所需的功率預算的電源樹。

Figure 2. Avoid current limit design flaws in power tree.
圖2.避開電源樹中的限流設計缺陷。
Figure 3. LTpowerPlanner power tree.
圖3.LTpowerPlanner電源樹。

佈局和佈線

正確的佈局和佈線可以避免因錯誤的佈線寬度、錯誤的通孔、接腳(連接器)數量不足、錯誤的接觸點大小等導致軌道被燒毀,進而引發電流限制。下面章節介紹了一些值得注意的地方,也提供幾個PCB設計技巧。

連接器和接腳接頭

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接腳的電流處理接觸能力,如圖4所示。一般來說,接腳或接觸點的載流能力受幾個因素影響,例如接腳的大小(接觸面積)、金屬成分等。直徑為1.1 mm1的典型過孔凸式連接接腳的電流約為3 A。如果需要17 A,那麼應確保您的設計具有足夠多的接腳,足以處理總體的載流容量。這可以透過增大每個導體(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個接腳(且具備1A餘量)。VCC和GND一共需要12個接腳。要減少觸點個數,可以考慮使用電源插座或更大的觸點。

佈線

使用可用的線上PCB工具來幫助確定佈局的電流能力。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和系統電路的空間限制,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。將佈線寬度降低到(例如)3 mm,並將這些佈線複製到PCB中的所有層上,以確保(所有層中的)佈線的總和能夠達到至少20 A的載流能力。

Figure 4. Physical contacts and current handling capability.
圖4.物理接觸和電流處理能力。

導通孔和連接

圖5顯示一個導通孔示例,該導通孔正在連接控制器的PCB的多個電源層。如果您選擇1 A導通孔,但需要2 A電流,那麼電軌寬度必須能夠攜帶2 A的電流,且導通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導通孔(如果空間允許,最好是三個),用於將電流連接至電源層。這個問題經常被忽略,一般只使用一個導通孔來進行連接。連接完成後,這個導通孔會作為保險絲使用,它會熔斷,並斷開與相鄰層的電源連接。設計不良的導通孔後期很難改善和解決,因為熔斷的導通孔很難注意到,或者被其他元件遮住。

Figure 5. Via stitching.
圖5.導通孔連接。

請注意關於導通孔和PCB電軌的下列參數:電軌寬度、導通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,設計人員在確定佈局參數時,需要注意到這些。目前許多PCB電軌/導通孔計算器都可線上使用。設計人員在完成原理圖設計後,最好向PCB製造商或佈局工程師諮詢這些細節。

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墊。帶有外露焊墊的控制器,例如 LTC3533ADP5304ADP2386ADP5054等,如果正確連接至電路板,其熱阻會更低。一般來說,如果控制器IC的功率MOSFET是置於裸片之中(即是整片式的),該IC的焊墊通常外露,以便散熱。如果轉換器IC使用外部功率MOSFET運行(為控制器IC),那麼控制IC通常無需要使用外露焊墊,因為它的主要制熱源(功率MOSFET)本身就在IC外部。

通常,這些外露的焊墊必須焊接到PCB接地板上才有效。根據IC的不同,也有一些例外,有些控制器會指明,它們可以連接至隔離的焊墊PCB區域,以作為散熱片進行散熱。如果不確定,請參閱有關部件的資料表。

當您將外露的焊墊連接到PCB平面或隔離區域時,(a)確保將這些孔(許多排成陣列)連接到地平面以進行散熱(熱傳遞)。對於多層PCB接地層,建議利用導通孔將焊盤下方所有層上的接地層連在一起。如需更多資訊,請參閱 "散熱設計基礎" tutorial MT-093,2 AN136: "非隔離開關電源的PCB佈局考量,"3 ,以及AN139:"電源佈局和EM。"4

請注意,關於外露焊墊的討論是與控制器相關。在其他IC中使用外露焊墊可能需要使用極為不同的處理方法。如需瞭解更多與使用外露焊墊相關的討論,請瀏覽 EngineerZone®5

結論與彙總

要設計低雜訊、不會因為電軌或過孔燒毀而影響系統電路的電源,從成本、效率、效率和PCB面積大小各方面來說都是一項挑戰。本文強調了一些設計人員可能會忽略的地方,例如使用功率預算分析來構建電源樹,以支援所有的後端負載。

原理圖和模擬只是設計的第一步,之後是謹慎的元件定位和路由技術。導通孔、電軌和載流能力都必須符合要求,並接受評估。如果介面位置存在開關雜訊,或者開關雜訊到達IC的功率接腳,那麼系統電路會失常,且難以隔離並排除故障。

參考資料

1 61302221121 連接接腳。 Würth Elektronik。

2 MT-093教程: "散熱設計基礎。" ADI,2009年。

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

4 應用筆記139:"電源佈局和EMI。" 凌力爾特,2012年10月。

5 AD8045裸露焊墊連接。 EngineerZone,2011年1月。

LTM4700。 ADI,2018年10月。

電源管理工具。 ADI