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嵌入式電源的布局指南
嵌入式電源的布局指南
串?dāng)_不僅會(huì)扼殺派對(duì)氣氛，還會(huì)破壞電子系統(tǒng)的功能。大多數(shù) PCB 設(shè)計(jì)人員更擔(dān)心信號(hào)走線之間的串?dāng)_，但您的電源和電源組件可能會(huì)產(chǎn)生更大的影響。值得慶幸的是，一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)選擇和布局指南可以保持 PCB 中的電源輸出和信號(hào)清潔。
信號(hào)完整性和電源完整性
這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)有時(shí)被設(shè)計(jì)師和工程師互換使用，新手 PCB 設(shè)計(jì)師可能會(huì)將 PCB 設(shè)計(jì)的這兩個(gè)方面視為不相關(guān)的問(wèn)題。不幸的是，PCB 并不是那么簡(jiǎn)單，以至于可以孤立地考慮電源完整性和信號(hào)完整性。
實(shí)際上，一些重要的信號(hào)問(wèn)題實(shí)際上源于電源完整性問(wèn)題。隨著數(shù)字系統(tǒng)中晶體管密度的增加，電源完整性容差隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越嚴(yán)格（非常感謝，戈登·摩爾）。單個(gè)晶體管的尺寸已經(jīng)縮小，并且具有較大輸出波動(dòng)或紋波電壓的舊電源可能會(huì)由于非自愿切換而對(duì)數(shù)字信號(hào)造成嚴(yán)重破壞。
具有敏感元件的現(xiàn)代 PCB 上的電源軌應(yīng)僅使用輸出功率總變化為 1% 至 5% 的電源供電。對(duì)于低電流電路或信號(hào)完整性是主要問(wèn)題的任何電路板，如果可能，嘗試將功率輸出變化降低到更低水平是一個(gè)好主意。您的信號(hào)走線和電源/電源軌可能存在串?dāng)_，從而加劇電源完整性問(wèn)題。
但您可能想知道，直流電源如何在交流信號(hào)跡線中引起串?dāng)_？電源輸出中的交流分量會(huì)在附近的走線中感應(yīng)出電流。在 PCB 設(shè)計(jì)階段，一個(gè)好的仿真工具可以幫助您在將電路板送去生產(chǎn)之前診斷走線和電源軌中的串?dāng)_問(wèn)題。如果 AC 信號(hào)走線是干擾走線，由于寄生電感和電容，它會(huì)導(dǎo)致功率波動(dòng)。
平板電腦上的藍(lán)色聽(tīng)診器
您的電源是串?dāng)_的干擾源
如果您曾經(jīng)將電源的輸出連接到示波器，您會(huì)發(fā)現(xiàn)電源輸出中存在多個(gè)交流組件。如果您使用的是交流適配器，則全波整流器會(huì)輸出帶有一些波動(dòng)的直流信號(hào)。整流器中的電容器在單次振蕩期間充電和放電兩次。如果您查看頻域中的信號(hào)，如果您的適配器插入墻上插座，您將看到一個(gè)接近 120 Hz（如果您在歐洲為 100 Hz）的頻段。
開(kāi)關(guān)電源也會(huì)產(chǎn)生具有紋波電壓的電力。如果您查看輸出功率信號(hào)的功率譜，您會(huì)看到由于電源中的開(kāi)關(guān)動(dòng)作而產(chǎn)生的另一個(gè)頻率分量。這兩個(gè)組件在示波器上都很明顯。您還可以使用良好的信號(hào)模擬器包來(lái)模擬 PCB 中這些組件的幅度。
這些組件會(huì)在信號(hào)走線中引起串?dāng)_，反之亦然。雖然您始終可以在敏感元件甚至是走線組上使用金屬罐屏蔽，但使用正確的布局策略可以防止在存在噪聲功率元件的情況下需要敏感屏蔽。
用于降低噪聲的 PCB 布局計(jì)劃
當(dāng)您的直流電源嵌入您的電路板時(shí)，電源輸出應(yīng)靠近接收負(fù)載的設(shè)備，因?yàn)檫@將有助于最大限度地減少 IR 損耗和互連阻抗。如果您的嵌入式電源會(huì)產(chǎn)生大量熱量，您應(yīng)該嘗試在電源附近放置任何冷卻風(fēng)扇。冷卻風(fēng)扇的注意事項(xiàng)：這些組件還會(huì)在附近的信號(hào)走線中產(chǎn)生噪聲，因此需要對(duì)敏感走線進(jìn)行屏蔽以防止這種新的噪聲源。
如果您計(jì)劃使用多層板，直流接地或輸入/輸出電源層應(yīng)位于包含敏感信號(hào)的頂層組件層和包含傳輸敏感信號(hào)的跡線的內(nèi)層之間。直流接地和/或電源層充當(dāng)屏蔽層，阻止內(nèi)部信號(hào)走線免受電源軌中的噪聲和頂層上的任何電源組件的影響。
用示波器測(cè)量波形
將這些走線組分成不同的層，可以讓您專注于降低電源層上的噪聲，而不必?fù)?dān)心會(huì)在內(nèi)部信號(hào)層的敏感走線中引入這種噪聲。明智地使用直流電源與其接地參考平面之間的電容器有助于調(diào)節(jié)輸出功率。
在內(nèi)部信號(hào)層中，PCB 上正確的布線策略可用于減少信號(hào)走線之間的串?dāng)_。將走線作為差分對(duì)布線可以減少對(duì)之間的串?dāng)_，但沿同一方向布線所有差分對(duì)最適合抑制近端串?dāng)_ (NEXT)。如果多個(gè)差分對(duì)之間的遠(yuǎn)端串?dāng)_ (FEXT) 很重要，則更好的選擇是使用交錯(cuò)布線。在交錯(cuò)布線中，連續(xù)差分對(duì)以相反方向布線。