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Altium Designer 中的 SMPS PCB 布局指南
Altium Designer 中的 SMPS PCB 布局指南
許多電力電子和嵌入式系統都需要定制穩壓器電路。照明板、激光二極管驅動器、許多模擬系統和其他噪聲敏感系統需要低噪聲功率調節，而一些 COTS 組件根本無法滿足應用要求。這在需要在高電壓/高電流下精確輸出且幾乎沒有下垂的電力系統中尤其如此（例如，電動汽車）。這些系統使用帶有開關穩壓器和標準化拓撲的 SMPS 電源。
正確使用 SMPS 布局需要最好的電路設計工具集，以及直接從原理圖中獲取數據的 PCB 編輯器。當您還可以在原理圖編輯器中訪問仿真功能時，您可以在完成布局之前快速驗證您的設計。Altium Designer 在單個應用程序中為您提供所有這些功能以及更多功能。以下是一些 SMPS PCB 布局指南，可幫助您在 Altium Designer 中構建最佳電源。
一個統一的 PCB 設計包，將電路設計功能與強大的 PCB 編輯器和仿真功能集成在一起。
簡單的電源易于設計，但無法滿足許多電力電子或嵌入式系統的性能要求。基本穩壓器無法為行業標準應用提供所需的電源效率、抗噪性和低紋波。許多 IC 旨在提供所需的低噪聲功率輸出，但許多高電壓或高電流板需要定制設計的開關穩壓器。
構建定制穩壓器首先要選擇合適的電源拓撲。您的拓撲結構將決定您是否可以提高或降低輸出電壓，以及您的系統中是否有一些電流隔離。您可以更進一步，包括一些額外的穩壓器電路，以適應輸入電平的變化，例如在使用電池供電系統時發生的情況。讓我們看看各種 SMPS PCB 布局指南，以及如何使用正確的 PCB 設計軟件成功設計電源。
選擇正確的開關穩壓器拓撲
三種標準 DC-DC 開關轉換器拓撲結構是升壓、降壓和降壓-升壓（也稱為反激式）。與非穩壓電源或線性穩壓器相比，這些中的每一個都具有主要優勢。開關穩壓器的主要優點是它們具有更高的效率和通過 PWM 信號控制輸出電壓的能力。下表提供了各種穩壓器拓撲的比較。
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拓撲 |
效率 |
好處 |
缺點 |
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線性 |
低 (~60%) |
構建簡單 |
高凈空，低效率 |
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我愿意 |
變化 |
低裕量 (~1 V)，可用于輸出級以獲得所需電壓 |
效率在很大程度上取決于應用的凈空。 |
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巴克 |
>85% |
構建簡單 |
開關噪聲、傳導 EMI 傳播到輸出 |
|
促進 |
>85% |
易于構建（降壓轉換器的變體） |
開關噪聲、傳導 EMI 傳播到輸出 |
|
飛回來 |
>85% |
靈活：用作降壓或升壓轉換器，電流隔離 |
成本較高，需要穩定的輸入功率，開關噪聲 |
|
向前 |
>85% |
靈活：作為降壓或升壓轉換器運行，無飽和電流隔離 |
成本較高，需要穩定的輸入功率，開關噪聲 |
|
共振 |
>90% |
功率轉換增益可調的高效率 |
涉及橋接電路的復雜布局，有時與 MOSFET 并聯 |
正向轉換器和反激轉換器有時會互換使用，但它們是不同的拓撲結構。這兩種類型的穩壓器都在輸出級使用變壓器進行電流隔離，并且可以通過改變用于開關的 PWM 流的占空比來調整輸出電壓。正向轉換器解決了變壓器磁芯飽和以及反激式轉換器變壓器磁芯中產生的遲滯的附加問題。正向轉換器在輸出側還包括一個額外的二極管和電感器，它使用三繞組變壓器而不是兩繞組變壓器。
構建您的穩壓器拓撲 最佳原理圖設計工具
無論您選擇為下一個設計構建哪種穩壓器拓撲，您都需要一套強大的原理圖設計工具來創建您的電路。您需要訪問完整的經過驗證的組件庫，這些組件可以直接導入到基于 SPICE 的仿真中。當您使用在單個平臺中統一電路設計和仿真功能的設計工具時，您可以為任何應用創建強大的電源。
在構建新的開關穩壓器時，您需要使用最好的原理圖編輯器來設計和仿真新設備的所有方面。
在開關穩壓器中，您的開關頻率將決定輸出的效率和紋波。了解有關為您的開關穩壓器選擇正確頻率的更多信息。
除非您構建隔離電源，否則傳導 EMI 可以傳播到電源電路的輸出。
使用 Altium Designer 中的分層多通道設計工具進行放大器設計示例。
開始您的 SMPS PCB 布局
設計 SMPS 電路后，您需要將原理圖捕獲為初始布局并開始排列組件。設計低 EMI 和穩定功率是布局的關鍵方面，因為您希望功率輸出盡可能保持穩定。在高功率電路中，熱管理也可能是一個挑戰。關鍵組件上的散熱器和風扇對于將組件溫度保持在安全范圍內很重要。
讓您的組件保持涼爽、穩定且無噪音
一旦組件開始切換，您的布局是不同電路塊之間串擾和電源調節問題的主要決定因素。您的 PDN 應始終設計為低阻抗以抑制瞬變。您應該始終嘗試放置去耦元件和其他無源元件，以使電路具有最小的環路電感。
開關電源在高電流下運行時會產生明顯的噪聲，這些噪聲會在下游電路中作為噪聲尖峰接收到。如果噪聲成為通過一致性測試的問題，您需要從電路的輸入和輸出中過濾盡可能多的噪聲。這將大大有助于確保您的功率輸出在到達負載組件后保持穩定。這些要點對于抑制噪聲和確保電路板上的穩定配電大有幫助。
電源在運行過程中會變得非常熱，您需要采取一些措施來散發 SMPS 電路的熱量。這可以像在重要組件上放置風扇和散熱器一樣簡單。確保在遵循電源系統行業標準（特別是IPC-2152和IPC-2221 ）的同時，在高電流板中選擇更重的銅。使用正確的設計應用程序，您可以將這些要求定義為設計規則，并且您的 ECAD 應用程序將在您創建 PCB 布局時根據這些規則自動檢查您的設計。
原理圖捕獲是構建設計和開始新 PCB 布局的第一步。
一旦負載組件開始切換，您的配電網絡和組件選擇就會影響電源系統中的 SSN 和地彈。
您的布局將決定熱量如何在電源板周圍傳輸以及您是否可以從組件中散發足夠的熱量。
在 Altium Designer 中的 SMPS PCB 布局中使用覆銅。
用于 SMPS PCB 布局的最佳 ECAD 軟件
大多數設計程序強制您使用單獨的原理圖編輯器、路由器和模擬器來生產單個產品。這會導致工作流程效率低下，甚至迫使您使用 3rd 方設計工具來完成新設計。您需要在統一的設計包中創建下一個 SMPS 電路板，而不是在這種分散的環境中工作。
當您使用統一設計軟件時，您將可以訪問在單個應用程序中創建新產品所需的一切。這是您可以在 Altium Designer 中找到的環境類型。您需要的一切都在一個應用程序中，讓您可以輕松地從概念到產品。
在 Altium Designer 中設計您的下一個 SMPS PCB 布局
Altium Designer 是唯一一款包含 SMPS 設計所需一切的 PCB 設計和布局應用程序。您可以使用功能強大的原理圖編輯器設計和集成 SMPS 電路，并且可以在同一程序中將原理圖捕獲為初始電路板布局。您將可以使用布局前和布局后模擬工具，并且可以快速為制造商準備可交付成果。沒有其他 PCB 設計應用程序可以如此輕松地通過單一程序將新產品推向市場。
在 Altium Designer 中設計 SMPS 電路、放置元件和布線是很容易的任務。在您創建電路板時，Altium Designer 中的規則驅動設計環境會根據您的設計規則立即檢查您的 SMPS PCB 布局。
當您設計電路時，Altium Designer 中強大的原理圖編輯器為您提供查找經過驗證的組件模型和使用基于 SPICE 的強大仿真引擎仿真電路所需的一切。
所有 Altium Designer 用戶都可以通過 Altium 365 平臺存儲和共享他們的 SMPS PCB 布局設計。如果您在設計團隊工作，Altium 365 可幫助您的團隊成員在安全的云環境中保持工作效率并共享設計數據。
Altium Designer 中 SMPS PCB 布局的 3D 視圖。
如果您從未在集成設計環境中工作過，Altium 將為您提供開始和成功設計所需的資源。您將可以訪問 AltiumLive 論壇、與行業專家的網絡研討會、包含大量設計技巧的龐大知識庫和設計教程。沒有其他 PCB 設計軟件公司會為您的成功投資。