電源、DCDC電路原理設計及PCB布線注意事項大全

電源、DC-DC電路原理設計及PCB布線注意事項大全一．DC-DC電路設計至少要考慮以下條件：1.外部輸入電源電壓的范圍，輸出電流的大小。2.DC-DC輸出的電壓，電流，系統(tǒng)的功率最大值。二．基于以上兩點選擇PWMIC要考慮：1.PWMIC的最大輸入電壓。2.PWM開關的頻率，這一點的選擇關系到系統(tǒng)的效率。對儲能電感，電容的大小的選擇也有一定影響。3.MOS管的所能夠承受的最大額定電流及其額定功率，如果DC-DCIC內部自帶MOS，只需要考慮IC輸出的額定電流。4.MOS的開關電壓Vgs大小及最大承受電壓。三．電感（L1），二極管（CR1），電容（C2）的選擇1.電感量：大小選擇主要由開關頻率決定，大小會影響電源紋波；額定電流，電感的內阻選擇由系統(tǒng)功耗決定。2.二極管：通常都用肖特基二極管。選擇時要考濾反向電壓，前向電流，一般情況反向電壓為輸入電源電壓的二倍，前向電流為輸出電流的兩倍。3.電容：電容的選擇基于開關的頻率，系統(tǒng)紋波的要求及輸出電壓的要求。容量和電容內部的等效電阻決定紋波大小（當然和電感也有關）。可靠的DC-DC電路，需要對以上電路的原理做如下修改：1.輸入部分：電源輸入端需要加電感電容濾波。目的：由于MOS管的開關及電感在瞬間的變化會造成輸入電源的波動，尤其是在系統(tǒng)耗電波動較大時，影響更為明顯。2.輸出部分：（1）假定C2的選擇的100uF是正確的，我們想得到更小的紋波，可以將100uF的電容改成兩顆47uF的電容（基于相同類型的電容）；如果100uF電容采用的是鋁電解，可以在原來的基礎上加一顆10uF的磁片電容或鉭電容。（2）在輸出端再加一顆電容和一顆電容對原來的電源做一個LC濾波，會得到一個紋波更小的電源。PCB布線時，應注意幾點：1.輸入電源與MOS的連線要盡可能的粗。2.Vgs也要粗一點，千萬不要以為粗細沒關系，（注：一般系統(tǒng)功率相對較低時，輸出電流不大，粗細的影響不明顯）關鍵時刻會影響電源的穩(wěn)定性。3.CR1，L1盡量靠近Q1。C2盡量靠近L1。4.反饋電阻的線盡量遠離電感L1。5.反饋電壓的地與系統(tǒng)的地盡量的近，保持在一個電位上。6.CR1的地線千萬要粗，在MOS的打開的時間里，L１的電流是由ＣＲ１的通路提供，即由地流向Ｌ１。附實例：Lm系列電源芯片布線指導1.BoththedesignerandtheCADpersonneedtobeawarethatthedesignofaswitchingpowerconverterisonlyasgoodasitslayout設計者和CAD布局者都要明白：開關轉換器的設計僅僅是布局良好的一方面。2.TheoverallsubjectofPCBdesignisanextremelywideone,embracingseveraltest/mechanical/productionissuesandalsoinsomecasescompliance/regulatoryissues.Thereisalsoacertainamountofphysics/electromagneticsinvolved,PCB/機械/生產問題，并在某些情況下遵守/管理問題。也有涉及到一些物理學和電磁學的問題。3.wehaveprovidedrecommendedstartingpointsforlayoutwhenusingthepopularLM267x,LM259xandLM257xfamilies(Figure2)Thefocusisonthestep-down(Buck)SimpleSwitcherICsfromNational,butthesameprinciplesholdforanytopologyandswitchingpowerapplication我們對布局提供建議的出發(fā)點是使用比較流行的、LM259x和LM257x系列，主要集中在降壓（Buck）簡單開關電源轉換芯片，但是同樣的原則在其它的任何拓補結構和開關電源應用中依然適用。4.Inswitchingregulatorlayout,itistheACpathsthatareconsideredcritical,whereastheDCpathsarenot.Thatistheonlybasicruletobekeptinmind,andfromwhichalltheothersfollow.Thisisalsotrueforanytopology。重要，這是唯一值得牢牢記住的基本原則，并且，同其它原則一樣，這也適用于任何布局拓補結構。5.PerformananalysisofthecurrentflowforanytopologyinthesamemanneraswedidfortheBuck,tofindthe’differencetraces’:andthesetracesarebydefinitionthe’critical’onesforlayout.對執(zhí)行中的任何拓補結構進行電流路徑，采用我們分析Buck降壓器時同樣的分析方法，來找出不同路徑，這些不同路徑的確定是布局的關鍵。6.everyinchoftracelengthhasaninductanceofabout20nH。Likethetraceresistance,thattoodoesn’tseemmuchatfirstsight.ButitisthisratherminuteinductancewhichisinfactresponsibleforagreatmanycustomercallsinSIMPLESWITCHERapplications!每英寸長度的走線會產生大約20nH7.thechangeincurrentintheACsectionsofatypicalbuckconverterisabout1.2timestheloadcurrentduringtheswitchturn-offtransitionandisabout0.8timestheloadcurrentduringtheswitchturn-ontransition在典型的降壓轉換器的交流變化電流部分，在開關關斷過程中，大約有1.2倍的負載電流，約0.8倍的負載電流在開關開通的過程中。8.TheACandDCCurrent，注意直流和交流電流路徑9.PlacingComponents‘acap’(asCloseasPossible)theinputcapacitors,especiallythebypasscapacitor‘CBYPASS’shouldbeplacedveryclosetotheIC,evenforaBuckIC放置輸入電容特別是旁路電容盡可能的靠近IC芯片。即使是降壓。10.Thereforeahighfrequency‘bypass’or‘decoupling’capacitorwithsmallornoleads,istobeplacedveryclosetotheVINandGNDpinsoftheIC.Thisisusuallya0.1μF–0.47μF(monolithic)multilayerceramic(.因此，在高頻中，旁路電容或者VIN和GND是1.0—0.47uF的多層陶瓷電容。11.Forlighterloads,andifitispossibletoplacetheinputbulkcapacitorveryclosetotheIC,thehighfrequencybypasscapacitormaysometimesbeomitted.Butforhigh-speedswitchersliketheLM267x,theinputceramicbypasscapacitorisconsideredalmostmandatoryforanyapplication.容量的電容器接近ICLM267x的。12.ItisessentialtoplacethecatchdiodeveryclosetotheICandconnectitdirectlytotheSWpinandGNDpinsoftheIC,withtracesthatareveryshortandfairlywide放置集流二極管距離ICSW腳和GND腳是很有必要的，這樣的放置會使導線很短和很寬。13.severalviasinparallelwillyieldbetterresultsthanasinglevia.Andlargerviadiameterswouldhelpfurther(unlesstheyarebeingusedas’thermalvias用幾個步增大。14.acommon‘intuitive’mistakeistoassumethatinductanceisinverselyproportionaltothewidthofthetrace.一個普遍的錯誤是認為電感感性和導線的寬度成反比。15.注意正確選定單板坐標原點的位置，原點的設置原則：A.單板左邊和下邊的延長線交匯點。B.單板左下角的第一個焊盤。板框四周倒圓角，倒角半徑5mm，特殊情況參考結構設計要求。16.按工藝設計規(guī)范的要求進行尺寸標注。17.布局操作的基本原則A.遵照“先大后小，先難后易”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件應當優(yōu)先布局．B.布局中應參考原理框圖，根據單板的主信號流向規(guī)律安排主要元器件．C.布局應盡量滿足以下要求：總的連線盡可能短、關鍵信號線最短、高電高頻信號與低頻信號分開、高頻元器件的間隔要充分．D.相同結構電路部分，盡可能采用“對稱式”標準布局；E.按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標準優(yōu)化布局；18.元器件的排列要便于調試和維修，亦即小元件周圍不能放置大元件、需調試的元、器件周圍要有足夠的空間。19.需用波峰焊工藝生產的單板，其緊固件安裝孔和定位孔都應為非金屬化孔。當安裝孔需要接地時,應采用分布接地小孔的方式與地平面連接。20.焊接面的貼裝元件采用波峰焊接生產工藝時，阻、容件軸向要與波峰焊傳送方向垂直，阻排及SOP（PIN間距大于等于1.27mm）元器件軸向與傳送方向平行；PIN間距小于1.27mm（50mil)的、SOJ、、QFP等有源元件避免用波峰焊焊接。IC去偶電容的布局要盡量靠近IC21.和地之間形成的回路最短。22.元件布局時,應適當考慮使用同一種電源的器件盡量放在一起,以便于將來的電源分隔。23.用于阻抗匹配目的阻容器件的布局，要根據其屬性合理布置。串聯(lián)匹配電阻的布局要靠近該信號的驅動端，距離一般不超過500mil。配一定要在信號的最遠端匹配。24.25.所有布線層都盡量靠近一平面層，優(yōu)選地平面為走線隔離層。26.測試孔測試孔是指用于ICT測試目的的過孔，可以兼做導通孔，原則上孔徑不限，焊盤直徑應不小于25mil，測試孔之間中心距不小于50mil。不推薦用元件焊接孔作為測試孔。27.定義和分割平面層A.間的電位差，電位差大于12V時，分隔寬度為50mil，反之，可選20--25mil。B.平面分隔要考慮高速信號回流路徑的完整性。C.當由于高速信號的回流路徑遭到破壞時，應當在其他布線層給予補嘗。例如可用接地的銅箔將該信號網絡包圍，以提供信號的地回路。28.布線優(yōu)先次序關鍵信號線優(yōu)先原則：電源、摸擬小信號、高速信號、時鐘信號和同步信號等關鍵信號優(yōu)先布線密集的區(qū)域開始布線。29.盡量為時鐘信號、高頻信號、敏感信號等關鍵信號提供專門的布線層，并保證其最小的回路面積。必要時應采取手工優(yōu)先布線、屏蔽和加大安全間距等方法，保證信號質量。30.電源層和地層之間的EMC環(huán)境較差，應避免布置對干擾敏感的信號。31.進行PCB設計時應該遵循的規(guī)則1）地線回路規(guī)則：環(huán)路最小規(guī)則，即信號線與其回路構成的環(huán)面積要盡可能小，環(huán)面積越小，對外的輻射越少，接收外界的干擾也越小。針對這一規(guī)則，在地平面分割時，要多層板為宜。2）竄擾控制是指PCB上不同網絡之間因較長的平行布線引起的相互干擾，主要是由于平行線間的分布電容和分布電感的作用?？朔當_的主要措施是：加大平行布線的間距，遵循3W規(guī)則。在平行線間插入接地的隔離線。減小布線層與地平面的距離。3）屏蔽保護還要考慮好如何有效的讓屏蔽地與實際地平面有效結合。4）走線的方向控制規(guī)則：向，以減少不必要的層間竄擾；當由于板結構限制（如某些背板）難以避免出現(xiàn)離各信號線。5）走線的開環(huán)檢查規(guī)則：一般不允許出現(xiàn)一端浮空的布線（DanglingLine),主要是為了避免產生"天線效應，減少不必要的干擾輻射和接受，否則可能帶來不可預知的結果。6）阻抗匹配檢查規(guī)則：同一網絡的布線寬度應保持一致，線寬的變化會造成線路特性阻抗的不均條件下，如接插件引出線，BGA封裝的引出線類似的結構時，可能無法避免線寬的變化，應該盡量減少中間不一致部分的有效長度。7）走線終結網絡規(guī)則：在高速數字電路中，當PCB布線的延遲時間大于信號上升時間（或下降時間）的1/4時，該布線即可以看成傳輸線，為了保證信號的輸入和輸出阻抗與傳輸線的阻抗正確匹配，可以采用多種形式的匹配方法，所選擇的匹配方法與網絡的連接方式和布線的拓樸結構有關。A.對于點對點（一個輸出對應一個輸入）連接，可以選擇始端串聯(lián)匹配或終端并聯(lián)匹配。前者結構簡單，成本低，但延遲較大。后者匹配效果好，但結構復雜，成本較高。B.對于一點對多點（一個輸出對應多個輸出）連接，當網絡的拓樸結構為菊花鏈時，應選擇終端并聯(lián)匹配。當網絡為星型結構時，可以參考點對點結構。星形和菊花鏈為兩種基本的拓撲結構,其他結構可看成基本結構的變形,可般不追求完全匹配，只要將失配引起的反射等干擾限制在可接受的范圍即可。8）走線閉環(huán)檢查規(guī)則：將引起輻射干擾。9）走線的分枝長度控制規(guī)則：盡量控制分枝的長度，一般的要求是。10）走線的諧振規(guī)則：主要針對高頻信號設計而言，即布線長度不得與其波長成整數倍關系，以免產生諧振現(xiàn)象。）走線長度控制規(guī)則：種網絡拓撲結構。12）倒角規(guī)則：PCB設計中應避免產生銳角和直角、產生不必要的輻射，同時工藝性能也不好。13）器件去藕規(guī)則：A.在印制版上增加必要的去藕電容，濾除電源上的干擾信號，使電源信號電容的布局及電源的布線方式將直接影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有時甚至關系到設計的成敗。在雙層板設計中，一般應該使電流先經過濾波電容濾波再供器件使用，同時還要充分考慮到由于器件產生的電源噪聲對下游的器件的影響，一般來說，采用總線結構設計比較好，在設計時，還要考慮到由于傳輸距離過長而帶來的電壓跌落給器件造成的影響，必要時增加一些電源濾波環(huán)路，避免產生電位差。C.14）器件布局分區(qū)/分層規(guī)則：A.這樣的布局仍然要考慮到低頻信號可能受到的干擾。同時還要考慮到高/低B.對混合電路，也有將模擬與數字電路分別布置在印制板的兩面，分別使用不同的層布線，中間用地層隔離的方式。15）孤立銅區(qū)控制規(guī)則相接，有助于改善信號質量，通常是將孤立銅區(qū)接地或刪除。在實際的制作中，PCB廠家將一些板的空置部分增加了一些銅箔，這主要是為了方便印制板加工，同時對防止印制板翹曲也有一定的作用。16）電源與地線層的完整性規(guī)則：對于導通孔密集的區(qū)域，要注意避免孔在電源和地層的挖空區(qū)域相互連接，的回路面積增大。17）重疊電源與地線層規(guī)則：特別是一些電壓相差很大的電源之間，電源平面的重疊問題一定要設法避免，難以避免時可考慮中間隔地層。18）3W規(guī)則：3倍線寬時，則可保持70%的電場不互相干擾，稱為3W規(guī)則。如要達到98%的電場不互相干擾，可使用10W的間距。19)20H規(guī)則：擾。稱為邊沿效應。解決的辦法是將電源層內縮，使得電場只在接地層的范圍內傳導。以一個H（電源和地之間的介質厚度）為單位，若內縮20H則可以將70%100H則可以將有98%的電場限制在內。20)五五規(guī)則：印制板層數選擇規(guī)則，即時鐘頻率到5MHz或脈沖上升時間小于5ns，則PCB板須采用多層板，這是一般的規(guī)則，有的時候出于成本等因素的考地平面層。E.工藝設計要求1.一般工藝設計要求參考《印制電路CAD工藝設計規(guī)范》2.功能板的ICT可測試要求A.對于大批量生產的單板，一般在生產中要做ICT（InCircuitTest),為了滿足ICT測試設備的要求，PCB設計中應做相應的處理，一般要求每個網絡都要至少有一個可供測試探針接觸的測試點，稱為ICT測試點。B.