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嵌入式电源的布局指南
嵌入式电源的布局指南
串扰不仅会扼杀派对气氛，还会破坏电子系统的功能。大多数 PCB 设计人员更担心信号走线之间的串扰，但您的电源和电源组件可能会产生更大的影响。值得庆幸的是，一些简单的设计选择和布局指南可以保持 PCB 中的电源输出和信号清洁。
信号完整性和电源完整性
这两个术语有时被设计师和工程师互换使用，新手 PCB 设计师可能会将 PCB 设计的这两个方面视为不相关的问题。不幸的是，PCB 并不是那么简单，以至于可以孤立地考虑电源完整性和信号完整性。
实际上，一些重要的信号问题实际上源于电源完整性问题。随着数字系统中晶体管密度的增加，电源完整性容差随着时间的推移变得越来越严格（非常感谢，戈登·摩尔）。单个晶体管的尺寸已经缩小，并且具有较大输出波动或纹波电压的旧电源可能会由于非自愿切换而对数字信号造成严重破坏。
具有敏感元件的现代 PCB 上的电源轨应仅使用输出功率总变化为 1% 至 5% 的电源供电。对于低电流电路或信号完整性是主要问题的任何电路板，如果可能，尝试将功率输出变化降低到更低水平是一个好主意。您的信号走线和电源/电源轨可能存在串扰，从而加剧电源完整性问题。
但您可能想知道，直流电源如何在交流信号迹线中引起串扰？电源输出中的交流分量会在附近的走线中感应出电流。在 PCB 设计阶段，一个好的仿真工具可以帮助您在将电路板送去生产之前诊断走线和电源轨中的串扰问题。如果 AC 信号走线是干扰走线，由于寄生电感和电容，它会导致功率波动。
平板电脑上的蓝色听诊器
您的电源是串扰的干扰源
如果您曾经将电源的输出连接到示波器，您会发现电源输出中存在多个交流组件。如果您使用的是交流适配器，则全波整流器会输出带有一些波动的直流信号。整流器中的电容器在单次振荡期间充电和放电两次。如果您查看频域中的信号，如果您的适配器插入墙上插座，您将看到一个接近 120 Hz（如果您在欧洲为 100 Hz）的频段。
开关电源也会产生具有纹波电压的电力。如果您查看输出功率信号的功率谱，您会看到由于电源中的开关动作而产生的另一个频率分量。这两个组件在示波器上都很明显。您还可以使用良好的信号模拟器包来模拟 PCB 中这些组件的幅度。
这些组件会在信号走线中引起串扰，反之亦然。虽然您始终可以在敏感元件甚至是走线组上使用金属罐屏蔽，但使用正确的布局策略可以防止在存在噪声功率元件的情况下需要敏感屏蔽。
用于降低噪声的 PCB 布局计划
当您的直流电源嵌入您的电路板时，电源输出应靠近接收负载的设备，因为这将有助于最大限度地减少 IR 损耗和互连阻抗。如果您的嵌入式电源会产生大量热量，您应该尝试在电源附近放置任何冷却风扇。冷却风扇的注意事项：这些组件还会在附近的信号走线中产生噪声，因此需要对敏感走线进行屏蔽以防止这种新的噪声源。
如果您计划使用多层板，直流接地或输入/输出电源层应位于包含敏感信号的顶层组件层和包含传输敏感信号的迹线的内层之间。直流接地和/或电源层充当屏蔽层，阻止内部信号走线免受电源轨中的噪声和顶层上的任何电源组件的影响。
用示波器测量波形
将这些走线组分成不同的层，可以让您专注于降低电源层上的噪声，而不必担心会在内部信号层的敏感走线中引入这种噪声。明智地使用直流电源与其接地参考平面之间的电容器有助于调节输出功率。
在内部信号层中，PCB 上正确的布线策略可用于减少信号走线之间的串扰。将走线作为差分对布线可以减少对之间的串扰，但沿同一方向布线所有差分对最适合抑制近端串扰 (NEXT)。如果多个差分对之间的远端串扰 (FEXT) 很重要，则更好的选择是使用交错布线。在交错布线中，连续差分对以相反方向布线。