[讨论] 光伏电源的PCB该如何布局？

窗外的麻雀 2018-8-28 14:07 楼主

本文讨论了电源电路的PCB布局，该电路从小型太阳能电池产生3.3 V稳压轨。
我在这个项目中的目标是创建一个非常简单，非常紧凑的电路，可以为基于微控制器的嵌入式系统供电。该电路仅在充足照明的时间内有效，因为该设计不包括用于存储剩余能量的电容器或电池。
在本文中，我将从电源原理图中了解电路的PCB布局。

光伏电源的PCB布局

下图显示了PCB顶部和底部的布局。所有组件和大部分痕迹和铜浇注都在顶部; 底部主要是地平面。

PCB尺寸
微控制器是Silicon Labs的EFM8 Sleepy Bee，左侧的（相对）大型连接器提供与SiLabs USB调试适配器的直接连接。这种连接器消耗了相当多的PCB空间，使整体设计看起来比实际更大。

下图显示了PCB的尺寸（以英寸为单位）。较短的水平尺寸是我试图估计如果调试连接器被移除（以及其他组件重新排列），电路板可以有多小。

所以我的猜测是，一侧的所有组件的双层板可能小于1.5平方英寸。我会说这很不错，特别是考虑到我们正在讨论的是双层PCB。

此外，我不认为我使用两层而不是四层而失去任何性能，因为底部几乎是一个坚固的地平面，顶部有足够的空间用于宽电源线和宽大的接地连接（还因为微控制器将以非常低的频率运行）。

小巧紧凑，但它可能更小
以下是其他一些可以减少该板尺寸的方法：

我选择了更大的无源元件IC（0805和1206），因为它们更容易组装。如果您计划专业组装电路板，您可以考虑使用0603甚至0402（您可能在0402封装中找到可接受的2.2μF电容，但对于0.1μF电容和电阻，您绝对可以使用0402）。
我为微控制器选择了更大的封装; 这是一个9毫米×9毫米的QFP32。32引脚无引脚封装尺寸明显更小（5 mm×5 mm），还有一个24引脚无引脚封装，尺寸更小（4 mm×4 mm）。在我看来，围绕此电源构建的大多数应用程序不需要超过少数I / O引脚，因此24引脚封装可能是最佳选择。我之所以使用32引脚器件，是因为该微控制器没有任何其他引线（即非引线）封装。
我为实时时钟应用提供了高精度32.768 kHz晶振; 它大约是0805组件的大小。微控制器有一个内部低功耗振荡器，精度很低（±10％），所以如果你不需要精确定时，你可以省略晶体。
电荷泵开关稳压器目前有四个2.2μF输出电容，但只需要一个。
LED及其附带的电阻仅用于调试; 它们可以在最终设计中省略。
您可能认为可以消除与调试电源相关的所有电路（开关，LDO和两个电容）。我不建议这样做，因为太阳能供电不是固件开发和测试的便利电源。

双面选择
该如何制作更小的列表的最后一项是在板的顶部和底部有组件。当我写这篇文章的时候，我开始怀疑整个电路是否适合与太阳能电池尺寸相对应的区域，这样你就可以设计出一块只有顶部太阳能电池和底部其他东西的电路板。我决定从原理图中删除一些不必要的组件然后尝试这个想法，这是我发现的（尺寸以英寸为单位）：

这是一个粗略的近似，但是，你可以看到，我们非常接近将所有电路塞入太阳能电池占用的PCB空间的目标。

为了创建这个元件放置，我消除了四个输出电容中的三个，晶体，LED和LED的电阻。我还将微控制器包切换到QFN24。无源元件仍然是1206和0805，但这些较大的封装可以弥补您需要某种方法将微控制器连接到调试适配器。当然没有太多的路由空间，但如果你可以使用四层板（并且太阳能电池下方的顶部还有足够的空间），我认为这不是一个严重的障碍。

结论
我们已经讨论了我最近设计的太阳能微控制器板的PCB布局，我们还研究了一个更加空间优化的实现示例，其中PCB的尺寸接近太阳能电池的尺寸。如果您对低功耗嵌入式设备的空间受限设计有任何经验，请随时在评论中分享您的想法。