关于PCB电源设计你需要知道的一切

低噪音电源

无论你的下一个设备是靠电池供电、太阳能电池还是插在墙上，你都需要设计电路来调节连接设备的电源。PCB电源设计可以包含更多的实际电源;从个人电脑到家用电器等系统都需要一个电源来将墙上的交流电源转换成低噪音的直流电源。

PCB电源设计不仅仅是交流和直流电源之间的转换。需要考虑电源和信号完整性问题，以及高功率电子器件产生的热管理问题。事实上，由于ic的工作方式，信号和电源完整性密切相关，一些电源可能会产生显著的辐射EMI，影响电路板的其他部分。

任何电源或与其相连的系统都不能避免信号完整性或电源完整性问题，但实施一些简单的设计程序可以帮助防止重新设计。这些最佳实践包括从适当的组件安排到解耦/旁路和堆栈设计的所有内容。

PCB电源设计选项

电源供应的第一步是选择您希望为设备使用的电源类型。不受管制的电源是一种将交流电源从墙壁插座转换为直流电压的肮脏选择。这些电源的输出将包含波纹波形，因为输出没有用调节器平滑。现代应用程序使用一个调节电源，在那里这种波动是最小的。

有两个主要的选择调节直流输出电源:使用线性稳压器或开关稳压器，有时被称为开关电源．这些类型的电源通过直流输出从一个全波整流器到一个调节电路，平滑纹波波形叠加在所需的直流输出。这些调节器也可以用来直接调节直流电源，如电池。线性稳压器有很低的噪声，但他们往往是笨重的，由于使用散热片或热管理所需的其他主动冷却措施。这些电源中大量的散热是它们效率低的原因。

相比之下，开关模式电源在宽电流范围内提供更高的效率，允许这些电源采用更小的外形尺寸。然而，这些电源使用PWM电路来平滑和调节输出电压，这需要使用有源开关元件(通常是MOSFET)。这意味着系统辐射强EMI，输出将包含由于开关噪声尖峰。这种开关噪声可以作为输出端的振铃信号出现(即传导EMI)，并且这种噪声需要从输出中滤波。

PCB电源设计的最佳实践

对于低功耗应用，线性稳压器和开关稳压器可作为集成电路。这些ic非常适合移动设备或其他可能插入墙壁插座但需要低功耗的设备。无论设备的功耗如何，为了确保电源完整性和信号完整性，有一些基本的PCB设计考虑因素需要考虑。

三维布局，边缘有电源连接

根据电源中使用的稳压器类型，您应该考虑在电路板上添加一些电路，并且有一些简单的布局选择可以帮助抑制传导和辐射EMI。在极端情况下，例如使用大电流电源或通常使用开关调节器，您可能需要在电路板中包括屏蔽，以确保附近电路的信号完整性

PCB电源设计中的热与电源完整性

PCB电源设计不仅仅是关于电源转换。确保电源输出的电源完整性将有助于解决一些信号完整性问题。热管理在电源中也很重要，因为组件在转换过程中会散热。在设计PCB电源时应考虑以下几点。

PCB电源设计中稳压器的选择

线性和开关稳压器的输出包括一些噪声，尽管噪声的来源和对下游电路的影响会有所不同。线性调节器的噪声较小，但效率也较低，并且散热较多。相比之下，开关稳压器取代了输入端的纹波，以取代输出端的开关噪声。然而，从开关稳压器(例如，作为电压调节器)控制输出电压是很容易的buck-boost转换器)通过调整PWM信号的占空比，从而提供开关动作。开关调节器将消耗更少的热量，由于其非常高的效率。

阅读更多PCB电源设计中的电源完整性．

电源完整性问题会影响这些轨迹中的信号完整性

用于大型稳压电源的热管理选项

对于大电流电源，您很可能需要从分立元件中构建所需的稳压电路，因为系统的尺寸太大，无法装入标准集成电路封装中。在这种情况下，您将需要考虑电源PCB中的任何ic的热管理选项。如果您要将电源从壁式插座转换为直流电源，一个简单的解决方案是在机箱上安装一个风扇，并使用输入的交流信号为其供电。使用DC-to-DC电源，您将需要使用PWM信号来运行风扇来冷却组件。

你的层堆栈也在热管理中发挥作用。在多层板上设计电源PCB可以帮助热管理，因为内部铜平面层有助于在整个板上均匀分布热量。在散发大量热量的组件下方使用热通孔和散热片，可以帮助快速将热量从这些组件中输送出去。这样做的目的是通过让关键部件的热量迅速消散，防止电路板上形成热点。

如果您想了解更多关于PCB电源设计中的热管理，请阅读更多pcb热分析．

功率完整性的旁路与解耦

一旦电源向下发送到组件，当ic开关时，各种有源组件会在电源总线中引起接地反弹和振铃。当大量的ic同时切换时，这可能会导致比特率错误，因为它会影响组件接收的功率以及数字信号中ON和OFF状态之间的电位差。在较低的电源电压下运行的集成电路更容易出现这些问题，因为它们在ON和OFF状态之间的电压差较小。

这些问题可以通过设计解耦网络和在集成电路的地和电源引脚之间选择旁路电容器来解决。放置旁路电容器的目的是在多个集成电路同时开关时补偿地电位的变化。类似地，解耦网络被设计为瞬态振荡(即振铃)在电源母线上时，ic上了母线开关。设计电力输送网络和解耦网络的一个工具是使用电路分析工具来设计形成这些电路的等效RLC网络。通过正确的组件选择，您可以极大地抑制电力输送网络中的瞬态振荡并补偿地面反弹。

如果您想了解更多关于在电力输送网络中抑制瞬态的信息，请阅读有关使用的内容RLC网络中时域分析的SPICE模拟．

过阻尼RLC网络的瞬态响应

传导电磁干扰抑制

来自稳压器或不受监管电源的噪声输出会影响下游组件和传导EMI。电源总线上的严重噪声会影响下游组件的输出电平。开关稳压器中的大纹波电压和开关噪声会产生这些问题，特别是当电源提供大电流时。

在这种情况下，传导的电磁干扰应该从电源输出进行滤波。由于人们通常需要直流输出，过滤可以用于从电源输出中去除这些更高频率的成分。这就是过滤器的模拟变得重要的地方，因为这可以帮助您选择构建过滤器所需的组件。

这里有更多关于滤波器设计与分析．

开关稳压器屏蔽

开关稳压器发出EMI，可影响下游电路的信号完整性，特别是在模拟组件中。低电平开关稳压器可能不会产生很多问题，除非它们放置在非常接近敏感元件。然而，具有高输出电流的电源会在附近的数字电路中引起非自愿开关或在模拟电路中引起噪声峰值，这在附近的电路中表现为瞬态响应。

电路固有频率的带阻滤波可以有效地去除这些电流尖峰，但当你在电路板上处理大量组件时，这是不实际的。相反，更容易利用层堆栈中地平面提供的屏蔽，并将敏感组件安排在远离开关调节器的地方。如果敏感组件靠近开关调节器，则可能需要在它们上放置一些屏蔽，因为这会阻挡辐射的EMI。

如果您想了解一些抑制EMI的策略，请阅读更多内容PCB设计中的电磁干扰抑制技术．

Cadence将布局和分析结合在一起的PCB电源设计

有了确保电源和整个电路板信号和电源完整性所需的布局规则，您将需要适用于任何应用程序的正确设计、分析和布局工具。PCB电源设计和分析工具应直接从原理图中获取数据，并帮助您确定系统的最佳布局选择。

走线和组件布局在PCB电源设计中至关重要

Cadence的全套PCB设计与分析工具适用于任何应用，包括高速设计。的SI/PI分析点工具为设计人员提供直接适用于PCB电源设计的电源完整性分析功能。当您使用Cadence的行业标准设计工具套件时，您将获得完整的电子设计和分析解决方案。

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