PCB电源设计的7个注意事项

您有没有想过电源是如何在复杂的 PCB 内传输的？是的，对于 PCB 设计人员来说，设计一个为每个 PCB 组件（IC、****、电容器等）提供所需功率的电源是一项具有挑战性的工作，因为每个这些组件的功率要求各不相同。只有完美的电源设计才能帮助克服这一挑战。

随着电路设计密度和复杂度的增加，电源设计的复杂性也被放大。PCB 设计人员为 PCB 电源设计和布局提供了多种可能性。尽管PCB电源设计多种多样，但设计人员必须遵循一定的规则并处理与之相关的常见问题。

在电源设计中要处理的一些常见问题是，电磁干扰,走线设计处理高电流,减少电流回路,组件的选择， 和遵循数据表的布局建议.

在本文中，我们将涵盖以下主题：

• PCB电源设计

• PCB电源的设计考虑为 PCB 电源选择合适的稳压器电源的热管理接地层和电源层可提供更好的 PCB 电源去耦电容和旁路电容EMI滤波电力输送系统的频率响应电源完整性 (PI)

电源设计的目的不仅仅是将电源从交流电转换为直流电。电源的作用是以正确的电压和电流为电路元件提供电力。未来电压低至 1.8V 和 1.2V 的器件将很常见。低电压带来对电源噪声的低耐受性。

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失。

电子电路中的典型功率流框图

用于供电的电子电路的典型功率流向如上图所示。电子电路需要 1.8V 至 12V 范围内的电压。1.2V、1.8V、3.3V、5V和12V是最常用的电压。

在第一阶段，230VAC/110VAC 的输入交流电压转换为 6-12V 范围内的隔离直流电压。第二级采用降压开关稳压器，将 6-12V 转换为 5V 或 3.3V。此外，使用 LDO（低压差稳压器）将 3.3V 转换为 1.8V 或 1.2V。

在开关电源（SMPS – 开关电源）出现之前，铁芯变压器用于将 230VAC/110VAC 的高压转换为 12VAC。这通过二极管桥式整流器进一步整流为直流电压，最大值约为 12 x 1.4 = 16.8 VDC。线性稳压器用于将电压降低到所需的水平。这种电路的缺点是电源效率差（低于 80%）、热损失高、PCB 占用空间大、电源纹波差。开关电源的使用提高了将电压转换为较低电平的效率，减少了电源的 PCB 占用空间（尺寸非常小且重量轻），并减少了纹波。

在线性稳压器中，由于较高的压降，以前会损失大量功率。例如，考虑线性稳压器 LM7805。LM7805 (5V) 通常具有大约 7.5V 的压降，要求输入和输出电压之间至少有大约 2.5V 的差值。因此，对于 1A 稳压器，7.5V 输入时稳压器的功率损耗为 2.5V x 1A = 2.5W。使用低压差稳压器 LM1117-5.0，压差为 6.2V，要求输入端的输入电压为 Vout +1.2V。对于关键应用，开关稳压器和 LDO 的组合用于提高效率。例如，从第一阶段开始，如果 7.5 伏可用，它将使用降压转换器降至 3.3V，然后使用线性稳压器 LM1117-1.8 降至 1.8V。

在设计电源时，布局良好的 PCB 的重要性怎么强调都不为过。此外，设计人员必须了解电源操作的重要性，才能使工作取得成功。

对于电源设计，设计师需要执行好PCB布局并计划一个有效的配电网络。此外，设计人员需要确保嘈杂的数字电路电源与关键的模拟电路电源和电路分开。需要考虑的一些重要事项是下面讨论：

稳压电路板

通常，设计人员在选择电源稳压器时有两种选择，线性稳压器和开关模式稳压器. 线性稳压器提供低噪声输出，但它具有更高的散热，这需要冷却系统。开关模式稳压器在很宽的电流范围内效率很高，但开关噪声会导致响应尖峰。

一种线性模式需要输入电压高于所需的输出电压，因为会有最小的电压降。线性稳压器会有相当大的功率损耗和散热，这会降低线性稳压器的效率。如果您正在考虑为您的设备使用线性稳压器印刷电路板设计那么您必须考虑具有低压降的稳压器，并且必须在制造之前进行热分析。除此之外，线性模式稳压器简单、便宜，并提供异常无噪声的电压输出。

这开关稳压器通过将能量暂时存储在电感器中，然后在不同的开关时间以不同的电压释放该能量，将一种电压转换为另一种电压。在此类电源中，使用快速开关 MOSFET。这些高效稳压器的输出可以通过改变脉宽调制 (PWM) 的占空比进行调整。效率取决于电路的散热，在这种情况下散热很低。

开关稳压器的 PWM 开关会导致输出中出现噪声或纹波。开关电流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。

开关模式稳压器使用 MOSFET 技术，因此很明显这些稳压器会发出 EMI（电磁干扰）噪声。我们无法完全消除任何电路中的 EMI，但我们可以通过降低 EMI 的措施（例如滤波、减少电流回路、接地层和屏蔽）来将其最小化。在您的设计中加入开关模式稳压器之前，应考虑电磁兼容性 (EMC) 措施。

在选择稳压器时，线性稳压电源和开关稳压电源是两个明显的选择。线性控制电源更便宜，但效率低下且散热更多。同时，开关稳压电源价格较高，需要连接更多的无源元件，不易发热。

电源的性能直接取决于散热。大多数电子元件只要有电流通过就会发热。散发的热量取决于组件的功率水平、特性和阻抗。如前所述，选择合适的稳压器可以减少电路中的散热。开关稳压器非常高效，因为它们散发的热量较少。

电子电路在较低温度下更有效地运行。为确保设备在环境温度下工作，设计人员应考虑适当的冷却方法。

如果设计人员选择的是线性稳压器，如果系统允许，建议使用散热器或其他冷却方法。如果设备的散热量很大，可以在设计中加入风扇以确保强制冷却。

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，从而在其周围形成热点。可以在这些组件附近使用散热孔，以快速将热量从该区域带走。

散热技术和冷却方法的结合可以创建高效的电源设计。设计人员可以使用传导冷却方法（例如散热器、热管、热通孔）或对流冷却方法（例如冷却风扇、热电冷却器等）。

地平面和电源平面连接叠起

接地层和电源层是用于功率传输的低阻抗路径。电源需要单独的接地层来分配电源，降低电磁干扰, 最大限度地减少串扰并减少电压降。电源层专用于将电源传输到 PCB 的所需区域。

PCB 设计人员需要单独处理接地网络的各个部分。在多层 PCB 中，一层或多层可以专门用于接地层和电源层。还有，他们可以通过在两个有源信号层之间放置地平面来减少干扰和串扰，从而有效地用地包围信号走线。

常见电源设计中的功率流

当电源分布到整个电路板上的元件时，不同的有源元件会导致地弹并在电源轨中振铃。这可能会导致组件电源引脚附近的电压下降。在这些情况下，设计人员在组件的电源引脚附近使用去耦和旁路电容器，以提供满足设备电流要求的短尖峰。

去耦背后的概念是减少电源和地之间的阻抗。这去耦电容充当辅助电源，提供 IC 所需的电流。并充当本地电荷源以支持切换事件。

旁路电容器绕过噪声并减少电源总线的波动。它们更靠近设备或 IC 放置，并连接在电源和地之间，以补偿当许多 IC 同时切换时电源和地平面电位的变化。

旁路电容器用于抑制系统内的系统间或系统内噪声电网. 所有去耦电容必须靠近 IC 的电源引脚连接，另一端直接连接到低阻抗接地层。需要到去耦电容器和接地过孔的短走线，以最大限度地减少此连接的串联附加电感。

选择本地旁路电容器时需要考虑几个方面。这些因素包括选择正确的电容器值、介电材料、几何形状和电容器相对于 IC 的位置。去耦电容的典型值为 0.1μF 陶瓷电容。

进入或离开电源外壳的任何电源线都可能产生 EMI 辐射。PCB 设计人员希望电源将其 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 滤波器来降低传导噪声。

阅读更多：EMI 和 EMC 的 7 个技巧和 PCB 设计指南

EMI 滤波器的架构允许它阻挡高频噪声。设计人员仔细布置滤波器电路组件以防止组件将能量传输到连接它们的迹线中是至关重要的

当电源突然加载时，比如从空载到满载，电压输出会趋于短暂下降并恢复到正常电压。在某些情况下，输出会在电压稳定到正常之前振荡一段时间。如果振荡超出设计限制，则需要调整输出电容器和补偿电容器。例如，对于 LM7805，建议在输出引脚旁边放置一个 0.1μF 的电容。同样，调节器的突然卸载可能会导致过冲和振荡。

为了从电路设计中获得更好的响应，请确保所选组件在设计约束范围内。无论电路是交流还是直流，它们都有不同的响应。交流和直流电路应分开考虑。

设计人员应确保电源设计的电源完整性。电源完整性只是传输到电路的电源质量。它是衡量从电源传输功率的有效性的方法源到系统内的负载，确保所有电路和设备都提供适当的电源，从而实现所需的电路性能.

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。有一些仿真工具可以帮助估计电路中的电源质量。此类工具有助于估计电压降，推荐去耦电容的放置，也可以识别电路中高电流的热点。

另请阅读我们文章中的电路仿真电路仿真如何工作？

良好的电源是电子设备准确运行的关键。正如我们所见，PCB 设计人员在考虑电源设计时有多种选择。在这些考虑因素中，稳压器、电容器和 EMI 滤波的选择很重要。同样，在设计电源系统时也应考虑热效应和负载响应。

同时，请遵循电源 IC 数据表中提到的建议。走线厚度和元件放置在电源设计中起着至关重要的作用。