如何設計電源 PCB

Ryan 是 MOKO 的高級電子工程師, 在這個行業有十多年的經驗. 專業從事PCB版圖設計, 電子設計, 和嵌入式設計, 他為不同領域的客戶提供電子設計和開發服務, 來自物聯網, 引領, 消費電子產品, 醫療等.
內容

電源PCB對於電子系統的可靠、高效運行起著至關重要的作用. 無論您是為簡單電路還是複雜應用設計電源, 擁有設計良好的電源 PCB 至關重要. 在這份綜合指南中, 我們將探討設計滿足所需規格並確保最佳性能的電源電路板時涉及的關鍵考慮因素和步驟. 因此,讓我們深入了解如何像專業人士一樣設計電源 PCB!

什麼是電源PCB?

電源 PCB 是一種專用電路板,旨在調節和分配電力到電子設備內的各種組件或子系統. 其主要功能是轉換來自外部電源的輸入電力, 例如交流電源插座或電池, 轉換成電子設備所需的適當電壓和電流水平. 電源 PCB 是幾乎所有電子設備的組成部分, 從智能手機, 筆記型電腦, 和計算機到家用電器, 工業機械, 和汽車系統. 它們確保這些設備內的電子元件獲得穩定可靠的電力, 對於它們的正常運作至關重要

電源 PCB 設計注意事項

設計電源需要仔細注意 PCB佈局 並建立高效的配電網絡. 設計人員認識到電源運行的重要性及其對整體成功的影響至關重要. 為了達成這個, 仔細進行 PCB 佈局至關重要,同時考慮噪聲數字電路和重要模擬電路之間的電源和電路的仔細隔離. 下面我們列出了設計過程中的關鍵考慮因素:

  1. 選擇正確的穩壓器

為您的電源選擇穩壓器時, 你有兩個主要選擇: 線性穩壓器和開關模式穩壓器. 線性穩壓器提供低噪聲輸出,但具有更高的散熱性, 需要冷卻系統. 由於壓降,它們還需要高於所需輸出電壓的輸入電壓. 雖然線性穩壓器很簡單, 負擔得起的, 並提供無噪聲輸出, 它們遭受顯著的功率損耗和較低的效率. 如果您在 PCB 設計中選擇線性穩壓器, 選擇具有低壓差的產品並在製造前進行熱分析.

另一方面, 開關模式穩壓器通過在電感器中存儲和釋放能量來轉換電壓. 他們使用快速切換 MOSFET 並提供高效的監管. 可以通過修改脈寬調製的佔空比來改變輸出電壓 (脈寬調製). 開關穩壓器更昂貴並且需要額外的無源元件, 但它們的散熱較低.

  1. 選擇正確的組件

選擇正確的元件對於電源 PCB 的成功設計至關重要. 考慮您的應用的電壓和電流需求, 並選擇能夠處理指定功率水平的組件. 注意組件類型等因素, 包, 和腳印, 確保與您的設計和製造限制的兼容性. 選擇可靠且信譽良好的組件供應商將確保您的電源設計的質量和使用壽命.

電源 PCB 元件

  1. 熱管理

電源的效能直接影響其散熱能力. 當電流流過電子元件時, 它們產生熱量, 其數量取決於他們的力量水平, 特徵, 和阻抗. 較低的溫度可提高電子電路的性能和使用壽命. 所以, 設計人員必須採用適當的冷卻方法,以確保設備在所需的環境溫度範圍內運行.

使用線性穩壓器時, 建議採用散熱器或其他冷卻機制, 前提是系統允許. 結合風扇可以促進強製冷卻, 尤其是在處理特定設備的高散熱問題時.

PCB 上的散熱可能不均勻. 額定功率較高的組件往往會產生更多熱量, 導致他們周圍出現熱點. 為了解決這個問題, 散熱孔可以策略性地放置在這些組件附近,以有效地將熱量從受影響的區域轉移出去. 通過結合有效的散熱技術和適當的冷卻方法, 設計人員可以實現高效的電源設計,從而實現最佳性能和可靠性.

  1. 跟踪路由

當談到跟踪路由時, 有不同的方法, 例如佈局期間或佈局完成後的佈線. 無論您選擇哪種方法, 通過採用短而直的走線來保證您的佈線與元件佈局對齊至關重要. 確保使用足夠寬度的走線來滿足當前要求,並選擇 45 度或圓角而不是直角,以最大限度地減少信號完整性問題.

建議避免使用通孔作為電源走線,以防止引入電感. 此外, 避免在電源組件下方佈線其他信號走線對於防止干擾並保持信號完整性至關重要.

  1. 接地

確保電源的最佳接地, 建議為電源組件創建一個單獨的接地層. 使用堅固的接地層代替走線佈線具有多種優點. 首先, 它為電源提供了有效的接地解決方案. 此外, 它有效地將電流返迴路徑產生的噪聲隔離到專用平面上, 將它們與公共接地層上的敏感信號返迴路徑分開. 在PCB佈局中, 兩個接地層最終將在特定時刻建立連接, 通常指定為接地過孔. 該接地過孔通常位於電源 IC 下方的導熱墊內. 此連接的目的是將兩個平面連接在一起, 同時還提供電源散熱的途徑. 它在線性電源設計中具有特殊意義. 此外, 設計線性電源時, 建議在接地層中專門為高增益設備創建一個空隙. 通過這樣做, 潛在的噪聲干擾被最小化, 並且可以增強這些敏感元件的性能.

  1. 電源走線和覆銅

計算走線寬度並確保適當的銅厚度對於承載所需電流而不會出現過度壓降或過熱至關重要. 利用走線寬度計算器和 PCB 設計軟件根據載流能力確定適當的走線寬度. 此外, 考慮採用覆銅技術來增強散熱並提高電源 PCB 的整體熱性能. 可以有效地利用接地層來最大限度地減少噪聲並提高信號完整性.

電源PCB設計

  1. 電源完整性

電源完整性是指輸送到電路的電源質量, 測量系統內電力從電源傳輸到負載的效率. 它確保所有電路和設備獲得必要的電力以實現所需的性能.

保持電源完整性的一個關鍵方面是最大限度地減少電源噪聲. 低噪聲電源有助於提高電源完整性. 電源完整性設計涉及有效管理電源噪聲. 有多種仿真工具可用於估計電路內的電能質量. 這些工具可以幫助預測電壓降, 建議放置去耦電容, 並識別高電流區域, 稱為熱點, 電路內.

結論

創建電源 PCB 需要仔細關注眾多因素. 遵守這本包羅萬象的手冊, 您可以設計滿足必要規格並提供可靠、高效性能的電源 PCB.

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