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  在电源设计中，精心的布局和布线对于实现优秀的设计非常重要。为了避免生产中的问题，有必要为尺寸、精度和效率留出足够的空间。我们可以利用多年的测试经验和布局工程师的专业知识，最终完成电路板的生产。

  精心设计的效率

  从图纸上看，设计可能没有问题(也就是说，从原理图的角度来看)，甚至在模拟过程中也没有问题，但真正的测试实际上是在布局、PCB制造和通过加载电路进行原型制造应力测试之后。在这一部分中，使用真实的设计示例介绍了一些技巧，以帮助避免陷阱。我们将介绍几个重要的概念，以帮助避免设计缺陷和其他陷阱，以避免未来需要重新设计和/或重新制作PCB。图1显示了设计进入生产后如何导致成本快速上升，而无需详细测试和余量分析。

  图1.当生产的电路板出现问题时，成本可能会迅速上升。

  功率预算

正常情况下需要注意按预期运行的系统，但在全速模式或不稳定数据开始出现时(排除噪声和干扰后)不能按预期运行。

  退出级联阶段时，应避免流量限制。图2显示了一个典型的级联应用程序:(A)显示了由ADP5304降压稳压器(PSU1)组成的设计，产生3.3V电源，电流最大为500mA。为了提高效率，设计者应将3.3V电轨分开，而不是5V输入电源。3.3V输出被进一步切断，以为PSU2(LT1965)供电，这款LDO稳压器用于进一步将电压降低到2.5V，并根据板载2.5V电路和IC的要求将最大输出电流限制在1.1A。

  这个系统有一些典型的隐藏问题。正常情况下可以正常运行。然而，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——问题就出现了。由于没有稳压器可以在输出端生成高于输入端的电压，所以在图2a中，用于合并电路VOUT1和VOUT2供电的VOUT1最大功率(P=V×I)为1.65W。假设2.5V电源轨道的最大可用功率为2.75W。如果电路试图获得如此多的功率，但不能满足这一要求，那么当PSU1开始限制流量时，就会出现不规则的行为。由于PSU1，电流可能会受到限制，更糟糕的是，一些控制器会因为过流而完全关闭。

  如果图2a在成功故障排除后实现，则可能需要更高功率的控制器。理想的情况是使用与引脚兼容、电流较高的设备进行更换;在最坏的情况下，PCB需要完全重新设计和制造。如果在概念设计阶段开始前可以考虑电源预算，则可以避免潜在的项目计划延迟(见图1)。

  考虑到这一点，首先创建一个真实的功率预算，然后选择一个控制器。包括你需要的所有电源轨道:2.5V、3.3V、5V等。包括上拉电阻、离散器件和IC，这些都会消耗每个轨道的功率。使用这些值反向工作，以估计您需要的电源，如图2b所示。使用电源树系统设计工具，如LTpowerPlanner(图3)，轻松创建一个电源树，以支持所需的功率预算。

图2.避免电力树中的限流设计缺陷

图3.LTpowerPlaner电源树

  布局和布线

  正确的布局和接线可以避免由于接线宽度错误、通孔错误、引脚(连接器)数量不足、接触点尺寸错误而导致轨道燃烧，从而导致电流限制。以下章节介绍了一些值得注意的地方，并提供了一些PCB设计技能。

  连接器和引脚接头

  如图2所示例的总电流扩展到17A，设计者必须考虑引脚的电流处理接触能力，如图4所示。一般来说，引脚或接触点的载流能力受几个因素的影响，如引脚的大小(接触面积)、金属成分等。直径为1.1mm的典型过孔凸引脚的电流约为3A。如果你需要17A，你应该确保你的设计有足够的引脚来处理整体载流能力。这可以通过增加每个导体(或接触点)的载流能力来轻松实现，并保留一定的安全裕度，使其载流能力超过PCB电路的总电流能力。在本例中，需要实现17A需要6个引脚，并且有1个以上的V(G)总共有1个以下)。C和ND需要12个引脚。为了减少接触点的数量，可以考虑使用电源插座或更大的接触点。

  布线

  使用可用的在线PCB工具来帮助确定布局的电流容量。当电轨宽度为3毫米时，一盎司铜PCB的载流容量约为3A，当电轨宽度为3毫米时，载流容量约为5A。需要留出一些余量，所以20A的电轨宽度需要达到19毫米(约20毫米)(请注意，这个例子没有考虑温升的影响)。从图4可以看出，由于PSU和系统电路的空间限制，20毫米的电轨宽度无法实现。要解决这个问题，一个简单的解决办法是使用多层PCB。将接线宽度降低到(例如)3毫米，并将这些接线复制到PCB的所有层，以确保接线的总和至少达到20A。

图4.物理接触和电流处理能力

  过孔和连接

  图5显示了一个过孔示例，该示例正在连接控制器的多个PCB电源层。如果您选择1A过孔，但需要2A电流，轨道宽度必须能够携带2A电流，且过孔连接必须能够处理电流。图5中所示的示例至少需要两个过孔(如果空间允许，最好是三个)，以便将电流连接到电源层。这个问题经常被忽视，通常只使用一个过孔来连接。连接完成后，过孔将用作保险丝，熔断并断开相邻层的电源连接。由于熔断器的过孔难以注意或被其他设备覆盖，因此在设计不良的过孔后期难以改进和解决。

图5.过孔连接

  请注意以下关于穿孔和PCB轨道的参数：轨道宽度、穿孔尺寸和电气参数受到几个因素的影响，如PCB涂层、路由层、工作温度等。这些因素最终会影响载流能力。以前的PCB设计技术没有考虑到这些依赖关系，但设计师在确定布局参数时需要注意这些。目前，许多PCB轨道/穿孔计算器都可以在线使用。完成原理图设计后，设计师最好咨询PCB制造商或布局工程师。

  避免过热

  有很多因素会导致发热，比如外壳、气流等。，但这一节主要讨论暴露的焊盘。带有外露焊盘的控制器，如LTC3533、ADP5304、ADP2386、ADP5054等。，如果正确连接到电路板上，它们的热阻会更低。一般来说，如果控制器IC的功率MOSFET放置在裸片中(即整片)，那么IC的焊盘通常会暴露出来进行散热。如果转换器IC采用外部功率MOSFET(控制器IC)运行，则控制IC通常不需要使用外露焊盘，因为其主要制热源(功率MOSFET)本身就在IC之外。

  一般来说，这些外露的焊盘必须焊接到PCB地板上才能有效。根据IC的不同，也有一些例外，一些控制器会指出它们可以连接到隔离的焊盘PCB区域作为散热器进行散热。如果不确定，请参考相关部件的数据表。

  当你将暴露的焊盘连接到PCB平面或隔离区时，(a)确保这些孔(许多排列)连接到地面进行散热(传热)。对于多层PCB接地层，建议将焊盘下方所有层的接地层通过过孔连接在一起。

  请注意，关于外露焊盘的讨论与控制器有关。在其他IC中使用外露焊盘可能需要非常不同的处理方法。

  结论与总结

  从成本、效率、效率和PCB面积的各个方面来看，设计低噪声、不会因轨道或过孔燃烧而影响系统电路电源是一个挑战。本文强调了一些设计师可能会忽略的地方，例如使用电力预算分析构建电力树，以支持所有后端负载。

  原理图和模拟只是设计的第一步，其次是设备定位和路由技术的谨慎。过孔、轨道和载流能力必须满足要求并接受评估。如果接口位置有开关噪声，或开关噪声到达IC的功率引脚，系统电路将异常，难以隔离和排除故障。