在PCB的布局设计中,元器件的布局至关重要,它决定了板面的整齐美观程度和印制导线的长短与数量,对整机的可靠性有一定的影响。
一块好的电路板,除了实现原理功能之外,还要考虑EMI、EMC、ESD(静电释放)、信号完整性等电气特性,也要考虑机械结构、大功耗芯片的散热问题等。
电源布局需遵循以下通用性规则:
布局基础原则
位置选择:电源模块应靠近负载端布局,避免因线路过长导致电压压差过大或效率降低。
散热设计:若采用多层板设计,建议在大电流层与敏感信号层之间增加地层或直流电压层,减少干扰。
功率与信号分离:功率器件(如电感、电容、MOS管)需优先布局,控制回路器件(如反馈电阻、补偿网络)应放置在特定区域。
关键信号处理
高频回路优化:在开关电源中,需识别高频开关电流路径(如降压电路的输入电容回路),通过缩短回路长度和降低电感来减少噪声。
信号隔离:高压信号需与低电压信号完全隔离,模拟信号需远离数字信号,晶振等关键器件应避开接口电路布局。
物理结构设计
安全间距:高压部件需保持规范爬电间距(通常≥5mm),热敏元件(如电解电容)应远离高热器件并位于散热通道上风口。
线路规划:电源走线需预留足够通道,避免与其他线路交叉,铜排应平直无锤痕。
通用技术要点
接地处理:保持连续的接地层,使用足够通孔(每通孔建议承载1A电流)连接各层。
线宽计算:根据电流有效值选择线宽(如1A电流对应线宽≥20mil),避免过细导致线路损耗增加。
在成功的电源设计中,电源布局是其中最重要的一个环节。但是,在如何做到这一点方面,每个人都有自己的观点和理由。事实是,很多不同的解决方案都是殊途同归;如果设计不是真的一团糟,多数电源都是可以正常工作的。
当然,这其中也有一些通用性规则,例如:
不要在快速切换信号中运行敏感信号。换言之,不要在开关节点下运行反馈跟踪。
确保功率载荷跟踪和接地层大小足以支持当前的电流。
尽量保持至少一个连续的接地层。
使用足够的通孔(通常以每个通孔1A开始),将接地层相连。
除了这些基本的布局规则,笔者通常首先会识别开关回路,然后确定哪些回路具有高频开关电流。图1所示为针对降压电源(原理图和布局)的简化功率级的一个示例。
图1 降压电源原理图和布局
降压电源中存在两种状态(假定连续传导模式):控制开关(Q1)接通时和控制开关断开时。当控制开关接通时,电流从输入流至电感器。当控制开关断开时,电流继续在电感器流动并流经二极管(D1)。电流连续输出。
但是存在输入脉冲电流,这是在布局中需要关注的部分。在图1中,此回路被标记为“高频回路”,并以蓝色显示。布局的首要目标是将Q1、D1和输入电容与最短、最低电感回路连接。该回路越小,开关产生的噪声便越低。如果忽略这一点,电源将不能有效工作。
识别开关回路的规程适用于所有的电源拓扑结构。规程的各个步骤分别是:
在接通状态确定电流通路。
在断开状态确定电流通路。
找到连续电流的位置。
找到断续电流的位置。
尽量减少断续电流环路。
下面列出了给定功率级配置的关键回路:
降压——输入电容回路。
升压——输出电容回路。
反相降压 -升压——输入和输出电容回路。
反激——输入和输出电容回路。
Fly-Buck——输入电容回路。
SEPIC——输出电容回路。
Zeta——输入电容回路。
正激、半桥、全桥——输入电容循环。
电源布局正如一种艺术形式一般,每个人都有自己的方式,而且很多时候也会起效。需要确保的一点是,在确定功率级的零件位置时,首先确定高频开关回路;这样便可为自己节约时间、免除烦恼。
一、极性标准化现象解析
部分直流电源采用左侧正极、右侧负极的配置,这种设计常见于民用电子设备的接口中,例如部分音频设备的直流输入端口。标准化布局有助于用户减少误操作风险。
二、影响极性设计的核心要素
1. 安全规范要求:医疗设备电源为避免电磁干扰,常采用中心负极设计
2. 空间限制因素:汽车电瓶因安装方向需要可能反转极性
3. 国际差异:部分国家交流插座的零火线位置与国内相反
三、典型非标案例说明
工业变频器的直流母线端子普遍采用上正下负排列,而通信基站电源模块为兼容机柜布线,多设计为右正左负结构。此类例外占专业领域设备的35%以上。
四、操作验证方法论
接触任何电源端子前必须执行三项确认:查看设备铭牌标识、使用万用表实测验证、核对电路图标注。三相电源还需注意相序差异。
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