PCB电源设计的7个注意事项总结

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在现代电子设备中，电源设计是至关重要的一环。一个稳定、高效的电源设计能够确保电子设备的正常运行，并且对于设备的性能和可靠性也有着重要的影响。然而，由于电源设计的复杂性和技术难度，很多工程师在这个环节上可能会遇到一些挑战。为了帮助大家更好地应对这些挑战，本文将总结PCB电源设计的7个注意事项，希望能够为电源设计提供一些有益的指导。

一、PCB电源设计

电源设计的目的不仅仅是将交流电转换为直流电。电源的功能是以正确的电压和电流向电路元件提供给电力。未来电压低至1.8和1.2V器件还是会比较常见。毕竟低电压对电源噪声的容忍度比较低。

电源还需要电流限制来限制最大电流。因此电源的重要参数是电压、最大电流、电压纹波和最大电流时的热损耗。

电子电路中的典型功率流框图

电源电子电路的典型功率流如上图所示，电子电路需要1.8V至12V范围的电压。1.2V、1.8V、3.3V、5V和12V是最常用的电压。

在第一级中，230V/10VAC的输入交流电压被转换为6-12V范围内的隔离直流电压。第二极采用降压开关稳压器，将6-12V电压转换为5V或者3.3V。此外，使用LDO（低压差稳压器）将3.3V转换为1.8V或1.2V。

在开关模式电源（SMPS-开关电源）出现之前，铁芯变压器用于将高压230VAC/110VAC转换为12VAC.二极管桥式整流器进一步将整流为最大约为12*1.4=16.8VDC。线性稳压器用于将电压降低至所需水平。

开关电源的使用提高了将电压转换为低电平的效率，减少了电源的PCB占用空间，并减少了纹波。

二、PCB电源的设计

对于电源设计，工程师需要良好的PCB布局。下面是在PCB电源设计时的7个注意事项：

1、合适的稳压器

一般来说，会选择线性稳压器或者开关模式稳压器。线性稳压器提高低噪声输出，但散热较高，需要冷却系统。开关模式稳压器在较宽的电流范围内效率很高，但开关噪声会导致响应出现尖峰。

1）线性稳压器：

• 输入电压高于输出电压，因为电压压降最小
• 会产生比较大的功率损耗和散热，因此会降低线性稳压器的效率。
• 简单、便宜，可以提供异常的无噪声的电压输出。
  

如果你选择线性稳压器，就需要考虑具有低压差的稳压器，并且在进行制造之前进行热分析。

2）开关稳压器：通过在电感中临时存储能量，在不同的开关事件以不同的电压释放该能量，将电压转换为另一种电压。

• 使用快速开关MOS管，高效稳压器的输出可以通过改变脉宽（PWM）的占孔比来调整，效率取决于电路的散热，在这种情况下散热较低。
• 开关稳压器的PWM开关会在输出中产生噪声或纹波。开关电流可能会导致其他信号中的噪声串扰。因此开关电源需要与关键信号隔离。
• 价格较高，需要连接较多的无源器件，但不容易发热。
  

开关稳压器

如果你选择开关稳压器，需要考虑电磁兼容性。（因为开关稳压器会发出EMI噪声，但是没有办法消除EMI，只能通过滤波、减少电路环路、接地层和屏蔽等降低EMI）

2、PCB电源的热管理

电源的性能直接取决于散热，大多数电子元件在电流通过时都会发热。发出的热量取决于组件的功率水平、特性和阻抗。如面所述，合适的稳压器可以减少电路中的散热。开关稳压器的效率很高，因为散发的热量较少。

为了保证设备在环境温度下工作，工程师应该考虑适当的冷却方法。

如果选择线性稳压器，建议使用散热器或者其他冷却方法，如果设备的散热量很高，可以考虑使用风扇。

整个PCB的散热可能不均匀，具有高额定功率的组件可能会散发大量热量，从而在周围形成热点。可以在组件附近使用散热孔。

3、接地层和电源层，以实现更好的PCB供电

接地层和电源层是用于电力传输的低阻抗路径。电源需要单独的接地层来分配功率、降低EMI、最大限度低减少串扰并减少电压降。电源层专用于电力传输到PCB的所需区域。

工程师需要单独处理接地网络的各个部分。在多层PCB中，一层或者多层可以专门用于接地层和电源层。此外，还可以通过在2个有源信号之间放置阶地层来减少干扰和串扰，从而有效地用地包围信号走线。

4、去耦电容和旁路电容

当电源分配到整个板上的组件时，不同的有源组件将导致电源轨中的地弹和振铃。在这种情况下，工程师应该要在电源引脚附近使用去耦和旁路电容，满足设备电流需求的短尖峰。

去耦主要是降低电源和接地之间的阻抗，去耦电容充当辅电源，提供IC所需的电流。充当本地电荷源以及支持切换。所有去耦电容都必须靠近IC的电源引脚连接，另一端直接连接到到低阻抗接地层。需要使用短走线连接去耦电容和接地过孔，以最大程度地减少此连接的串联附加电感。

旁路电容旁路噪声并减少电源总线的波动，放置在靠近设备或者IC的位置。连接在电源和接地之间，补偿许多IC同时开关电源和接地层电势的变化。

去耦电容和旁路电容

5、EMI滤波

工程师都希望电源的EMI水平保持在他们定义的频谱限制以下。因此，在电源输入点使用EMI滤波器来降低传传导噪声。

6、电力传输系统的频率响应

当电源突然加载时，例如从空载到满载，电压输出将趋于短暂下降并恢复到正常电压。

在某些情况下，在在电压稳定到正常之前，输出会振荡一段时间。如果振荡超出设计眼制，则需要调整输出电容和补偿电容。

例如，对于LM7805，建议在输出引脚旁边放置一个0.uF的电容。同样，调节器的突然卸载可能会导致过冲和振荡。

为了获得更好的电路设计响应，请确保所选组件在设计限制范围内。无论电路是交流还是直流都有不同的响应。交流和直流电路应分开考虑。

7、电源完整性 (PI)

工程师应该要确保电源设计的电源完整性。

电源完整性就是输送到电路的电源质量。它衡量系统内功率从电源传输到负载的效率，确保为所有电路和设备提供适当的功率，从而实现电路所需的性能。

噪声较小的电源可以确保更高的电源完整性。电源完整性设计只不过是管理电源噪声。

电源完整性

PCB电源设计的成功与否直接关系到整个电子设备的稳定性和性能。通过遵循上述7个注意事项，我们可以更好地应对电源设计中的挑战，提高设计的效率和质量。同时，我们也应该不断学习和探索新的电源设计技术，以适应不断发展的电子设备需求。相信只要我们不断努力和实践，就能够设计出更加稳定、高效的电源，为电子设备的发展做出更大的贡献。

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