电源-DC电路原理设计及其PCB布线注意事项大全.doc

《电源-DC电路原理设计及其PCB布线注意事项大全.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电源-DC电路原理设计及其PCB布线注意事项大全.doc（12页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、/注：本文内容摘抄整理自网络、论坛，仅供大家参考学习，谢谢！电源、DC-DC 电路原理设计及 PCB 布线注意事项大全一般的降压型的 DC-DC 变换的典型原理电路，如下图：一DC-DC 电路设计至少要考虑以下条件： 1. 外部输入电源电压的范围，输出电流的大小。 2. DC-DC 输出的电压，电流，系统的功率最大值。二基于以上两点选择 PWM IC 要考虑： 1. PWM IC 的最大输入电压。 2. PWM 开关的频率，这一点的选择关系到系统的效率。对储能电感，电容的 大小的选择也有一定影响。 3. MOS 管的所能够承受的最大额定电流及其额定功率，如果 DC-DC IC 内部自 带 MO

2、S，只需要考虑 IC 输出的额定电流。 4. MOS 的开关电压 Vgs 大小及最大承受电压。三电感（L1），二极管（CR1），电容（C2）的选择 1. 电感量：大小选择主要由开关频率决定，大小会影响电源纹波；额定电流， 电感的内阻选择由系统功耗决定。 2. 二极管：通常都用肖特基二极管。选择时要考滤反向电压，前向电流，一般 情况反向电压为输入电源电压的二倍，前向电流为输出电流的两倍。 3. 电容：电容的选择基于开关的频率，系统纹波的要求及输出电压的要求。容 量和电容内部的等效电阻决定纹波大小（当然和电感也有关）。如何得到一个电源纹波相对较小、对系统其他电路干扰相对较小，而且相对稳 定可靠的

3、DC-DC 电路，需要对以上电路的原理做如下修改： 1. 输入部分：电源输入端需要加电感电容滤波。目的：由于 MOS 管的开关及 电感在瞬间的变化会造成输入电源的波动，尤其是在系统耗电波动较大时，/影响更为明显。 2. 输出部分： （1）假定 C2 的选择的 100uF 是正确的，我们想得到更小的纹波，可以将 100u F 的电容改成两颗 47uF 的电容（基于相同类型的电容）；如果 100uF 电容采用 的是铝电解，可以在原来的基础上加一颗 10uF 的磁片电容或钽电容。 （2） 在输出端再加一颗电容和一颗电容对原来的电源做一个 LC 滤波，会得到 一个纹波更小的电源。PCB 布线时，应注意

4、几点： 1. 输入电源与 MOS 的连线要尽可能的粗。 2. Vgs 也要粗一点，千万不要以为粗细没关系，（注：一般系统功率相对较低 时，输出电流不大，粗细的影响不明显）关键时刻会影响电源的稳定性。 3. CR1， L1 尽量靠近 Q1。C2 尽量靠近 L1。 4. 反馈电阻的线尽量远离电感 L1。 5. 反馈电压的地与系统的地尽量的近，保持在一个电位上。 6. CR1 的地线千万要粗，在 MOS 的打开的时间里，L的电流是由的 通路提供，即由地流向。附实例：附实例：Lm 系列电源芯片布线指导系列电源芯片布线指导1.Both the designer and the CAD person ne

5、ed to be aware that the design of a switching power converter is only as good as its layout 设计者和 CAD 布局者都要明白：开关转换器的设计仅仅是布局良好的一方面。2. The overall subject of PCB design is an extremely wide one,embracing several test/mechanical/production issues and also in some cases compliance/regulatory issues. Ther

6、e is also a certain amount of physics/electromagnetics involved, PCB 设计的总体具体是一个非常广泛，包括几个测试/机械/生产问题，并在某 些情况下遵守/管理问题。也有涉及到一些物理学和电磁学的问题。 3. we have provided recommended starting points for layout when using the popular LM267x,LM259x and LM257x families (Figure 2) The focus is on the step- down (Buck) S

7、imple Switcher ICs from National, but the same principles hold for any topology and switching power application 我们对布局提供建议的出发点是使用比较流行的 LM267x、LM259x 和 LM257x 系列，主要集中在降压（Buck）简单开关电源转换芯片，但是同样的原则在其 它的任何拓补结构和开关电源应用中依然适用。 4. In switching regulator layout, it is the AC paths that are considered critical, w

8、hereas the DC paths are not. That is the only basic rule to be kept in mind, and from which all the others follow. This is also true for any topology。 在开关稳压器的布局中，考虑交流路径是非常必要的，而直流路径则显得不是 很重要，这是唯一值得牢牢记住的基本原则，并且，同其它原则一样，这也适 用于任何布局拓补结构。 5. Perform an analysis of the current flow for any topology in the

9、same manner as we did for the Buck, to find the difference traces: and these traces are by /definition the critical ones for layout. 对执行中的任何拓补结构进行电流路径，采用我们分析 Buck 降压器时同样的 分析方法，来找出不同路径，这些不同路径的确定是布局的关键。 6. every inch of trace length has an inductance of about 20 nH。Like the trace resistance, that too

10、doesnt seem much at first sight. But it is this rather minute inductance which is in fact responsible for a great many customer calls in SIMPLE SWITCHER applications! 每英寸长度的走线会产生大约 20 nH 的电感效应。初次看起来，这电感大小和 电阻一样小得可以忽略，但是，这正是对许多客户在简单电源转换应用中要负 责任的（要值得关注的） 。 7. the change in current in the AC sections o

11、f a typical buck converter is about 1.2 times the load current during the switch turn-off transition and is about 0.8 times the load current during the switch turn-on transition 在典型的降压转换器的交流变化电流部分，在开关关断过程中，大约有 1.2 倍 的负载电流，约 0.8 倍的负载电流在开关开通的过程中。 8. The AC and DC Current Paths，注意直流和交流电流路径 9. Placing C

12、omponents acap (as Close as Possible) the input capacitors, especially the bypass capacitor CBYPASS should be placed very close to the IC, even for a Buck IC 放置输入电容特别是旁路电容尽可能的靠近 IC 芯片。即使是 降压 IC。10. Therefore a high frequency bypass or decoupling capacitor with small or no leads, is to be placed very

13、 close to the VIN and GND pins of the IC. This is usually a 0.1 F0.47 F (monolithic) multilayer ceramic (.因此，在高频中，旁路电容或 者去耦电容很小，并且放置在离芯片的 VIN 和 GND 管脚越近越好，这个电容 通常是 1.00.47uF 的多层陶瓷电容。 11. For lighter loads, and if it is possible to place the input bulk capacitor very close to the IC, the high frequen

14、cy bypass capacitor may sometimes be omitted. But for high-speed switchers like the LM267x, the input ceramic bypass capacitor is considered almost mandatory for any application.对于轻微的负载，尽可能的放置 大容量的电容器接近 IC 芯片，高频的旁路电容有时候可以忽略，但是在像 LM267x 等高速开关转换应用中，输入的旁路陶瓷电容被认为几乎在所有的应 用中石必须的。 12. It is essential to pl

15、ace the catch diode very close to the IC and connect it directly to the SW pin and GND pins of the IC, with traces that are very short and fairly wide .放置集流二极管距离 IC 很近、并且直接连接到 SW 脚和 GND 脚是 很有必要的，这样的放置会使导线很短和很宽。 13. several vias in parallel will yield better results than a single via. And larger via

16、diameters would help further (unless they are being used as thermal vias 用几个 并行的过孔将会得到比使用一个过孔的效果更好，并且大的过孔直径还可以进 一步增大。 14. a common intuitive mistake is to assume that inductance is inversely proportional to the width of the trace.一个普遍的错误是认为电感感性和导线的宽 度成反比。/15. 注意正确选定单板坐标原点的位置，原点的设置原则： A. 单板左边和下边的延长线交

17、汇点。 B. 单板左下角的第一个焊盘。 板框四周倒圆角，倒角半径 5mm，特殊情况参考结构设计要求。 16. 按工艺设计规范的要求进行尺寸标注。 17. 布局操作的基本原则 A. 遵照“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元 器件应当优 先布局 B. 布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件 C. 布局应尽量满足以下要求：总的连线尽可能短、关键信号线最短、高电 压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开、模拟信号与数字信号分 开、高频信号与低频信号分开、高频元器件的间隔要充分 D. 相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局； E. 按照均匀分布、

18、重心平衡、版面美观的标准优化布局； 18. 元器件的排列要便于调试和维修，亦即小元件周围不能放置大元件、 需调试的元、器件周围要有足够的空间。 19. 需用波峰焊工艺生产的单板，其紧固件安装孔和定位孔都应为非金属 化孔。当安装孔需要接地时, 应采用分布接地小孔的方式与地平面连接。 20. 焊接面的贴装元件采用波峰焊接生产工艺时， 阻、 容件轴向要与波 峰焊传送方向垂直，阻排及 SOP（PIN 间距大于等于 1.27mm）元器件轴向与传 送方向平行；PIN 间距小于 1.27mm（50mil)的 IC、SOJ、PLCC、QFP 等有源元 件避免用波峰焊焊接。21. IC 去偶电容的布局要尽量靠近

19、去偶电容的布局要尽量靠近 IC 的电源管脚，并使之与电的电源管脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短。源和地之间形成的回路最短。22.元件布局时,应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起, 以便于 将来的电源分隔。 23. 用于阻抗匹配目的阻容器件的布局，要根据其属性合理布置。 串联匹配电阻的布局要靠近该信号的驱动端，距离一般不超过 500mil。 匹配电阻、电容的布局一定要分清信号的源端与终端，对于多负载的终端 匹配一定要在信号的最远端匹配。 24. /25. 在高速数字电路设计中，电源与地层应尽量靠在一起，中间不安排布 线。所有布线层都尽量靠近一平面层，优选地平面为走线隔离层。 26.

20、测试孔 测试孔是指用于 ICT 测试目的的过孔，可以兼做导通孔，原则上孔径不限， 焊盘直径应不小于 25mil，测试孔之间中心距不小于 50mil。不推荐用元件焊接 孔作为测试孔。 27. 定义和分割平面层 A. 平面层一般用于电路的电源和地层（参考层） ，由于电路中可能用到不 同的电源和地层，需要对电源层和地层进行分隔，其分隔宽度要考虑不同电源 之间的电位差，电位差大于 12V 时，分隔宽度为 50mil，反之，可选 20-25mil 。 B. 平面分隔要考虑高速信号回流路径的完整性。 C. 当由于高速信号的回流路径遭到破坏时，应当在其他布线层给予补尝。 例如可用接地的铜箔将该信号网络包围，

21、以提供信号的地回路。 28. 布线优先次序 关键信号线优先原则：电源、摸拟小信号、高速信号、时钟信号和同步信 号等关键信号优先布线 密度优先原则：从单板上连接关系最复杂的器件着手布线。从单板上连线 最密集的区域开始布线。 29. 尽量为时钟信号、高频信号、敏感信号等关键信号提供专门的布线层， 并保证其最小的回路面积。 必要时应采取手工优先布线、 屏蔽和加大安全间 距等方法，保证信号质量。 30. 电源层和地层之间的 EMC 环境较差，应避免布置对干扰敏感的信号。 31. 进行 PCB 设计时应该遵循的规则 1） 地线回路规则： /环路最小规则，即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积越小

22、， 对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。针对这一规则，在地平面分割时， 要考虑到地平面与重要信号走线的分布，防止由于地平面开槽等带来的问题； 在双层板设计中，在为电源留下足够空间的情况下，应该将留下的部分用参考 地填充，且增加一些必要的孔，将双面地信号有效连接起来，对一些关键信号 尽量采用地线隔离，对一些频率较高的设计，需特别考虑其地平面信号回路问 题，建议采用多层板为宜。 2） 窜扰控制 串扰（CrossTalk)是指 PCB 上不同网络之间因较长的平行布线引起的相互 干扰，主要是 由于平行线间的分布电容和分布电感的作用。克服串扰的主要措施是： 加大平行布线的间距，遵循 3W 规则。 在平

23、行线间插入接地的隔离线。 减小布线层与地平面的距离。 3） 屏蔽保护 对应地线回路规则，实际上也是为了尽量减小信号的回路面积，多见于一 些比较重要的信号，如时钟信号，同步信号；对一些特别重要，频率特别高的 信号，应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计，即将所布的线上下左右用地线隔 离，而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平面有效结合。 4） 走线的方向控制规则： 即相邻层的走线方向成正交结构。避免将不同的信号线在相邻层走成同一 方向，以减少不必要的层间窜扰；当由于板结构限制（如某些背板）难以避免 出现该情况，特别是信号速率较高时，应考虑用地平面隔离各布线层，用地信 号线隔离各信号线。 5） 走线

24、的开环检查规则： /一般不允许出现一端浮空的布线（Dangling Line), 主要是为了避免产生“天线效应“，减少不必要的干扰辐射和接受，否则可 能带来不可预知的结果。 6） 阻抗匹配检查规则：同一网络的布线宽度应保持一致，线宽的变化会造成线路特性阻抗的不均 匀，当传输的速度较高时会产生反射，在设计中应该尽量避免这种情况。在某 些条件下，如接插件引出线，BGA 封装的引出线类似的结构时，可能无法避免 线宽的变化，应该尽量减少中间不一致部分的有效长度。 7） 走线终结网络规则：在高速数字电路中，当 PCB 布线的延迟时间大于信号上升时间（或下降时 间）的 1/4 时，该布线即可以看成传输线，

25、为了保证信号的输入和输出阻抗与 传输线的阻抗正确匹配，可以采用多种形式的匹配方法， 所选择的匹配方法与 网络的连接方式和布线的拓朴结构有关。 A. 对于点对点（一个输出对应一个输入）连接，可以选择始端串联匹配或 终端并联匹配。前者结构简单，成本低，但延迟较大。后者匹配效果好，但结 构复杂，成本较高。 B. 对于一点对多点（一个输出对应多个输出）连接，当网络的拓朴结构为/菊花链时，应选择终端并联匹配。当网络为星型结构时，可以参考点对点结构。 星形和菊花链为两种基本的拓扑结构, 其他结构可看成基本结构的变形, 可 采取一些灵活措施进行匹配。在实际操作中要兼顾成本、功耗和性能等因素， 一般不追求完全

26、匹配，只要将失配引起的反射等干扰限制在可接受的范围即可。8） 走线闭环检查规则：防止信号线在不同层间形成自环。在多层板设计中容易发生此类问题，自 环将引起辐射干扰。 9）走线的分枝长度控制规则：尽量控制分枝的长度，一般的要求是 Tdelay=Trise/20。 10） 走线的谐振规则：主要针对高频信号设计而言，即布线长度不得与其波长成整数倍关系，以免 产生谐振现象。 11） 走线长度控制规则：/即短线规则，在设计时应该尽量让布线长度尽量短，以减少由于走线 过长带来的干扰问题，特别是一些重要信号线，如时钟线，务必将其振荡 器放在离器件很近的地方。对驱动多个器件的情况，应根据具体情况决定 采用何种

27、网络拓扑结构。 12） 倒角规则：PCB 设计中应避免产生锐角和直角、产生不必要的辐射，同时工艺性能也 不好。 13） 器件去藕规则： A.在印制版上增加必要的去藕电容，滤除电源上的干扰信号，使电源信号 稳定。在多层板中，对去藕电容的位置一般要求不太高，但对双层板，去但对双层板，去 藕电容的布局及电源的布线方式将直接影响到整个系统的稳定性，有时甚藕电容的布局及电源的布线方式将直接影响到整个系统的稳定性，有时甚 至关系到设计的成败。至关系到设计的成败。 B.在双层板设计中，一般应该使电流先经过滤波电容滤波再供器件使用，在双层板设计中，一般应该使电流先经过滤波电容滤波再供器件使用， 同时还要充分考

28、虑到由于器件产生的电源噪声对下游的器件的影响，一般同时还要充分考虑到由于器件产生的电源噪声对下游的器件的影响，一般 来说，采用总线结构设计比较好，在设计时，还要考虑到由于传输距离过来说，采用总线结构设计比较好，在设计时，还要考虑到由于传输距离过 长而带来的电压跌落给器件造成的影响，必要时增加一些电源滤波环路，长而带来的电压跌落给器件造成的影响，必要时增加一些电源滤波环路， 避免产生电位差避免产生电位差。 C.在高速电路设计中，能否正确地使用去藕电容，关系到整个板的稳定性。14） 器件布局分区/分层规则：/A.主要是为了防止不同工作频率的模块之间的互相干扰，同时尽量缩短高 频部分的布线长度。通常

29、将高频的部分布设在接口部分以减少布线长度， 当然，这样的布局仍然要考虑到低频信号可能受到的干扰。同时还要考虑 到高/低频部分地平面的分割问题，通常采用将二者的地分割，再在接口处 单点相接。 B.对混合电路，也有将模拟与数字电路分别布置在印制板的两面，分别使 用不同的层布线，中间用地层隔离的方式。 15）孤立铜区控制规则孤立铜区的出现，将带来一些不可预知的问题，因此将孤立铜区与别的信 号相接，有助于改善信号质量， 通常是将孤立铜区接地或删除。在实际的 制作中，PCB 厂家将一些板的空置部分增加了一些铜箔，这主要是为了方 便印制板加工，同时对防止印制板翘曲也有一定的作用。 16）电源与地线层的完整

30、性规则： 对于导通孔密集的区域，要注意避免孔在电源和地层的挖空区域相互连接， 形成对平面层的分割，从而破坏平面层的完整性，并进而导致信号线在地 层的回路面积增大。 17）重叠电源与地线层规则： 不同电源层在空间上要避免重叠。主要是为了减少不同电源之间的干扰， 特别是一些电压相差很大的电源之间，电源平面的重叠问题一定要设法避 免，难以避免时可考虑中间隔地层。 18） 3W 规则：为了减少线间串扰，应保证线间距足够大，当线中心间距不少于 3 倍/线宽时，则可保持 70%的电场不互相干扰，称为 3W 规则。如要达到 98% 的电场不互相干扰，可使用 10W 的间距。 19)20H 规则：由于电源层与

31、地层之间的电场是变化的，在板的边缘会向外辐射电磁 干扰。称为边沿效应。 解决的办法是将电源层内缩，使得电场只在接地层 的范围内传导。以一个 H（电源和地之间的介质厚度）为单位，若内缩 20H 则可以将 70%的电场限制在接地层边沿内；内缩 100H 则可以将有 98%的 电场限制在内。 20)五-五规则： 印制板层数选择规则，即时钟频率到 5MHz 或脉冲上升时间小于 5ns，则 PCB 板须采用多层板，这是一般的规则，有的时候出于成本等因 素的考虑，采用双层板结构时，这种情况下，最好将印制板的一面做为一 个完整的地平面层。 E.工艺设计要求 1. 一般工艺设计要求参考印制电路 CAD 工艺设

32、计规范 2. 功能板的 ICT 可测试要求 A.对于大批量生产的单板，一般在生产中要做 ICT（In Circuit Test), 为了满足 ICT 测试设备的要求，PCB 设计中应做相应的处理，一般要求每 个网络都要至少有一个可供测试探针接触的测试点，称为 ICT 测试点。 B. PCB 上的 ICT 测试点的数目应符合 ICT 测试规范的要求，且应 在 PCB 板的焊接面，检测点可以是器件的焊点，也可以是过孔。 C.检测点的焊盘尺寸最小为 24mil（0.6mm） ，两个单独测试点的最小 间距为 60mil（1.5mm） 。D.需要进行 ICT 测试的单板，PCB 的对角上要设计两个 12

33、5MILS 的 非金属化的孔, 为 ICT 测试定位用。 3. PCB 标注规范。标注规范。 钻孔层中应标明印制板的精确的外形尺寸，且不能形成封闭尺寸标注；钻孔层中应标明印制板的精确的外形尺寸，且不能形成封闭尺寸标注；所有孔的尺寸和数量并注明孔是否金属化。所有孔的尺寸和数量并注明孔是否金属化。II. 设计评审设计评审 A. 评审流程 设计完成后，根据需要可以由 PCB 设计者或产品硬件开发人员提出 PCB 设计质量的评审，其工作流程和评审方法参见PCB 设计评审规范 。B. 自检项目 如果不需要组织评审组进行设计评审，可自行检查以下项目。 1. 检查高频、高速、时钟及其他脆弱信号线，是否回路面

34、积最小、 是否远离干扰源、是否有多余的过孔和绕线、是否有垮地层分割区。/2. 检查晶体、变压器、光藕、电源模块下面是否有信号线穿过，应 尽量避免在其下穿线，特别是晶体下面应尽量铺设接地的铜皮。 3. 检查定位孔、定位件是否与结构图一致，ICT 定位孔、SMT 定位 光标是否加上并符合工艺要求。 4. 检查器件的序号是否按从左至右的原则规则无误的摆放规则，并 且无丝印覆盖焊盘；检查丝印的版本号是否符合版本升级规范，并标识出。5. 报告布线完成情况是否百分之百；是否有线头；是否有孤立的铜 皮。 6. 检查电源、地的分割正确；单点共地已作处理； 7. 检查各层光绘选项正确，标注和光绘名正确；需拼板的只需钻孔 层的图纸标注。 8. 输出光绘文件，用 CAM350 检查、确认光绘正确生成。 9. 按规定填写 PCB 设计（归档）自检表，连同设计文件一起提交给 工艺设计人员进行工艺审查。 10. 对工艺审查中发现的问题，积极改进，确保单板的可加工性、可 生产性和可测试性。附录 A：传输线有关参数的计算公式 1.1 微带线（Microstrip） 1.2 带状线（Stripline） 1.3 经验数据 对 FR-4 材料（r 在 4.55 之间）：75 微带线，wh；50 微带线，w2h；25 微带线，w3.5h。75 带状线，w=h/8；50 带状线，w=h/3。