多轨电源设计的布局提示和技巧

电源设计可分为三个主要阶段：（a） 设计策略和 IC 选择，（b） 原理图设计、仿真和测试，以及 （c） 布局和布线。在 （a） 设计和 （b） 仿真阶段投入时间可以证明您的设计概念的有效性，但真正的测试需要将它们放在一起并在台面上进行测试。在本文中，我们将跳到步骤（c），因为有大量资源涵盖了ADI公司的仿真和设计电源工具，均可免费下载，例如LTpowerPlanner、LTpowerCad、LTspice和LTpowerPlay。本系列的第 1 部分介绍了 （a） 策略。®®®®

本文由两部分组成，旨在解决设计多轨电源时有时会被忽视的问题。第 1 部分重点介绍策略和拓扑，本文重点介绍功耗预算和电路板布局的细节。由于许多应用板需要多个电源轨，本系列由两部分组成，探讨了多电源板解决方案。目标是通过良好的元件放置和布线实现高质量的初始设计，以突出一些功率预算和布线提示和技巧。

在电源设计中，仔细的布局和布线对于产生稳健的设计至关重要，这些设计在尺寸、精度、效率和避免生产问题方面具有充足的裕量。多年的台式经验可以提供帮助， 因此请依靠布局工程师在最终完成电路板制造方面的知识.

精心设计的功效

设计可能在纸面上看起来很扎实（即从原理图的角度来看），甚至可以毫无问题地进行仿真，但真正的测试是在布局、PCB 制造和通过加载电路进行原型压力测试之后。本节重点介绍一些提示和技巧，通过使用实际设计示例来避免陷阱。一些重要的概念有助于避免可能导致重新设计和/或PCB重新设计的设计缺陷和其他陷阱。图 1 显示了如果设计在没有仔细测试和余量分析的情况下深入生产，成本会如何迅速上升。

图1.当问题出现在生产板上时，成本会迅速上升。

功率预算

注意系统在正常条件下按预期运行，但在全速模式下或当数据开始不稳定时（当噪声和干扰被排除时）则不然。

在利用级联级时避免出现电流限制情况。图2显示了一个典型的级联应用：（a）所示设计由ADP5304降压稳压器（PSU1）组成，产生3.3 V电源，最大电流为500 mA。为了提高效率，设计人员应分接3.3 V电源轨，而不是输入5 V电源。3.3 V输出进一步分接，为PSU2（LT1965）供电，该LDO稳压器用于进一步调节低至2.5 V，最大输出电流为1.1 A，满足板载2.5 V电路和IC的要求。

这是一个具有一些经典隐藏问题的系统。系统在正常情况下工作正常。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，就会出现问题。由于没有稳压器在其输出端产生比输入端更多的功率，因此在图2a中，V时的最大功率（P = V × I）输出1为 3.3 V × 0.5 A = 1.65 W 为组合电路 V 供电输出1和 V输出2.这假设效率为100%，因此由于电源损耗，可用功率较少。2.5 V电源轨的假定最大可用功率为2.75 W。如果电路试图要求如此大的功率，它们将无法满足，从而导致PSU1开始达到电流限制时行为不稳定。电流可能由于PSU1而开始限制，或者更糟糕的是，一些稳压器由于过流而完全关断。

如果在成功排除故障后实施图2a，则可能需要更换更高功率的稳压器。最好的情况是引脚兼容的更高电流替代品;最坏的情况是完全重新设计和重新设计 PCB.通过在设计概念阶段之前牢记功率预算，可以避免潜在的项目延迟时间表（见图1）。

考虑到这一点，在选择一个或多个稳压器之前，请创建切合实际的功率预算。包括所有必需的电源轨：2.5 V、3.3 V、5 V 等。包括所有上拉电阻、分立器件和IC，每个电源轨消耗功率。使用这些值并逆向估算电源要求，如图2b所示。使用电源树系统设计工具，如LTpowerPlanner（图3），轻松创建支持所需功率预算的电源树。

图2.避免电源树中的电流限制设计缺陷。

图3.LTpowerPlanner power tree。

布局、跟踪和路由

正确的布局、跟踪和布线可避免由于错误的轨道宽度、错误的过孔、引脚（连接器）数量不足、触点尺寸错误等原因导致轨道烧毁而导致的电流容量限制。以下部分包括一些有价值的提醒和一些PCB设计技巧.

连接器和引脚接头

将图2所示的示例扩展到17 A的总电流，设计人员必须考虑引脚（或多个引脚）的电流处理接触能力，如图4所示。通常，引脚或触点的载流能力取决于几个因素，例如物理引脚尺寸（触点面积）、金属成分等。直径为 1.1 mm 的典型通孔公头针1大约是 3 A。如果需要 17 A，请确保您的设计有足够的引脚来处理总载流能力。这很容易通过乘以每个导体（或触点）的载流能力来实现，并具有一定的安全裕度，以超过PCB电路的总电流消耗。在本例中，要实现17 A电流，需要6个引脚（裕量为1 A）。两个 V 总共需要 12 个引脚抄送和GND。要减少触点数量，请考虑使用电源插孔或更大的触点。

轨道

使用可用的在线PCB工具来帮助确定布局中的当前功能。一盎司的铜 PCB 的走线宽度为 1.27 mm 可产生大约 3 A 的载流能力，3 mm 的走线宽度产生大约 5 A 的载流能力。允许一些裕量，20 A 轨道需要 19 mm（约 20 mm）的宽度（请注意，本例中未考虑温度升高）。从图4可以看出，由于PSU和系统电路的空间限制，20 mm的走线宽度是不可行的。为了解决这个问题， 一个简单的解决方案是利用多个PCB层.减小走线宽度（例如，减小到3 mm），并将这些走线复制到PCB中的所有可用层，以确保总组合走线（在所有层中）满足至少20 A的电流能力。

图4.物理接触和电流处理能力。

过孔和拼接

图5显示了从稳压器拼接PCB电源层的过孔示例。如果选择了 1 A 过孔，并且您的功率要求为 2 A，则轨道宽度必须能够承载 2 A，并且过孔拼接也必须能够处理它。图5中的示例需要至少两个过孔（如果有空间，最好是三个）将电流拼接到电源层。当仅使用单个通孔进行拼接时，这一点经常被忽略。完成此操作后，通孔就像保险丝一样，将熔断并断开相邻平面的电源。设计不足的过孔可能很难排除故障，因为吹通孔可能不明显，或者可能很难看到它是否被组件遮挡了。

图5.通过缝合。

请注意过孔和PCB走线的以下参数：走线宽度、通孔尺寸和电气参数取决于影响最终载流能力的几个因素，如PCB镀层、布线层、工作温度等。前面的PCB设计技巧没有考虑到这些依赖关系，但设计人员在确定布局参数时应该意识到这些。许多PCB走线/通孔计算器可在线获得。强烈建议设计人员在原理图设计后咨询其PCB制造商或布局工程师，并牢记这些细节。

避免过热

许多因素都可能导致散热问题，例如外壳、气流等，但本节重点介绍裸露的桨叶。具有裸露焊盘的稳压器，如LTC3533、ADP5304、ADP2386、ADP5054等，如果正确连接到电路板，则热阻较低。 通常，如果稳压器IC在芯片中设计了功率MOSFET（即单片），则IC通常具有用于散热的裸焊盘。如果转换器 IC 使用外部功率 MOSFET（它是控制器 IC）工作，则控制 IC 通常不需要裸露焊盘，因为主要热源（功率 MOSFET）位于 IC 外部。

通常，这些裸焊盘必须焊接到PCB接地层上才能有效。根据IC的不同，也有例外，因为一些稳压器指定它们可以连接到隔离的焊接PCB区域，以充当散热片。如果不确定，请参阅相关器件的数据手册。

当您将裸露焊盘连接到PCB平面或隔离区域时，（a）确保将这些过孔（其中许多是阵列形式）缝合到接地层以进行散热（传热）。对于多层PCB接地层，建议将焊盘下方所需的接地层（在所有层上）与过孔缝合在一起。

请注意，关于裸露焊盘的讨论是关于稳压器的。将裸露焊盘用于其他IC可能需要非常不同的处理。有关裸焊盘使用的进一步讨论，请访问工程师专区。®5

结论和总结

设计具有足够低噪声的电源，而不会因走线或过孔烧毁而影响系统电路，在成本、效率、性能和PCB面积方面是一项挑战。本文重点介绍了设计人员可能忽略的一些领域，例如使用功率预算分析构建电源树以支持所有下游负载。

原理图和仿真只是设计的第一步，随后是仔细的元件放置和布线技术。过孔、走线和载流能力必须合规并经过评估。系统电路将行为异常，如果接口上存在开关噪声或已馈入IC的电源引脚，则很难隔离故障排除。

审核编辑：郭婷