【原创资料】电源在PCB设计时基本注意点

只看该作者 · 2016-2-28 15:43

电源PCB基本设计流程：
建立元件参数->输入原理网表->设计参数设置->手工布局->手工布线->验证设计->复查->CAM输出。
今天我们讲讲大小电流流的DCDC选型和PCB布局布线紧密联系。DC-DC电源由于存在能效转换问题、电源通过电流和散热的考虑，布局布线不合理将大大影响电源性能，且会形成一个严重的噪声源。
输出滤波电容首先要容量够，其次ESR尽量小，还有一点要注意滤波电容的浪涌电流要够大，这点在使用钽电容时要注意，否则钽电容会失效。可以使用低ESR的陶瓷电容和钽电容并联使用，虑波效果好。
电感饱和电流要足够，像这种BUCK电路，电感的饱电流一定要大于最大负载电流的1.2倍。另外一点就是直流电阻DCR要尽量少，减小铜损。
PCB上的Trace都存在电感，大约是20nH/inch，只要有电流流经Trace就会产生感应电压，但该电压值不是取决于电流的大小而是取决于电流的变化率，V = L*(dI/dt)。所以，交流通路在PCB设计上很重要，特别是使用高速开关管的DC-DC集成电路，dI/dt会很高。NS（美国国家半导体）给出了一个粗略数字：“对于典型的降压变换器，交流部分的电流变化量在开关管关断过程中是负载电流的1.2倍，在开关管导通过程是负载电流的0.8倍。”在这里，交流通路的Trace必须尽量短，包括GND引脚的Trace，虽然流经GND引脚的电流很小，但开关管开关切换过程会通过GND引脚来刷新电流，电流就会变得很陡峭。这些意味着输入电容、旁路电容应该尽量靠近IC放置，特别对于降压IC。
IC周围空间是有限的，输入电容和旁路电容不可能同时都靠近IC放置，特别是输入电容体积相对大。
首先，了解输入电容的作用，是使输入的到IC的电压尽量平稳，减少电压的波动，其实应该可以讲大的输入电容看为板上的总电源。同时输入电容的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）可能会非常高，这会造成IC的输入电源引脚有高频输入电压纹波。所以输入电容可以放置在距离IC大约1 inch范围内放置。
旁路电容则必须尽量靠近IC的输入电源引脚。具有短引脚或无引脚的旁路电筒，一般采用0.1uF知0.47uF的陶瓷电容，对滤除高频纹波效果较好。短引脚或无引脚则会减小电容的寄生电感（ESL），同时一般使用的封装为1206，X7R类型，若使用小的封装尺寸则电容的ESL和ESR会增大。一般IC的电源引脚旁都需要放置这样的旁路电容。
对于DC-DC开关电源中会有一个钳位二极管，它的放置位置也很关键。由于钳位二极管一端是连接IC的SW引脚，该引脚的信号为矩形波，若Trace过长，其电感就会很容易拾取到噪声，附加在SW信号中，形成噪声尖峰。钳位二极管的布局基本要点是紧靠IC放置，并采用短且宽的Trace直接连接IC的SW引脚和GND引脚。
当输入旁路电容和钳位二极管确定好放置位置后，才开始布局其他器件。连接输入旁路电容和钳位二极管的Trace应尽量短且宽，而且连接到IC的通路中不应出现任何通孔，对于SMT PCB而言意味着它们需要和IC处于同一层上。这里不出现通孔仅仅指IC与输入旁路电容、钳位二极管之间的Trace中不应打VIA，但若是双面或多层板，需要通过VIA连接GND、Power Layers的话，可以在靠近输入旁路电容和钳位二极管的PAD旁打VIA，而不是连接的Trace中。
我们都误用了覆铜，对于GND平面或VCC平面覆铜是没问题的，可以减小电流回路阻抗，且能作为关键信号的参考，减少干扰。但对于刚刚布局中提到的钳位二极管布线要短且宽，但不是越宽越好。Trace短很容易理解，大家都会意识到这样做，“20nH/inch”的经验法则就表面Trace电感与长度成正比。但是不是Trace电感就与宽度成反比呢？通常很多人都会直观地觉得是的。根据Trace电感公式：
L = 2l * [ln（2l/w） - 0.5 + 0.2235 * (w/l)]
可以看出电感值和Trace宽度是非线性关系。为了减少寄生电感效用而加宽Trace应该是最后才采用的无奈之举，第一步应该是减少Trace长度。特别是钳位二极管连接SW引脚部分，由于本身电压是开关波形，如果用过宽的覆铜代替Trace，则会被看成是天线，引入EMI的问题。对于开关节点，最好的选择是将其周围的铜箔尺寸控制在实际要求的最小范围内。
电源线以覆铜代替是Layout中很常见的现象。认为铺铜大越好，能走的电流就越大。其实，应该是铜的截面积（宽度*厚度）越大，每单位长度Trace电阻越小，从而发热越小，电流处理能力本质是Trace的温升问题。我们应该通过定量计算来确定电源部分Trace的尺寸，而不应过分铺铜。一般30℃~40℃的温升是可以接受的，同时也受周边发热器件的影响，肯定不能超过环氧树脂板的额定温度（FR4需要保持在120℃以下）。
一个经验法则：对于中等温升（低于30℃）且电流小于5A时
对于1oz copper，1A电流至少用12mil宽的铜箔
对于2oz copper，1A电流至少用7mil款的铜箔
GND平面，尽量要保持地平面的完整，不要分割或在地平面上走线，但双面板较难做到这点。而多层板是必须要遵守这个原则的。但有时需要划分数字地、模拟地或高低压地平面时，是需要分割地平面的，但最终必须通过磁珠或0 ohm电阻连接两个分离的地平面，保持电气上的连接和一致。完整的地平面对于PCB抗干扰和阻抗的控制很重要，因为它是信号的一个参照和回流路径。
DC-DC开关电源中的反馈线路是信号线中唯一的关键信号。这里有两个方法解决：1.尽可能用短反馈Trace，从而将拾取的噪声降到最低；2.远离噪声源，如电感或二极管。有时为了避开噪声源，Trace走得长一些也是需要的。