总结|PCB电源设计中的7个要点

电子芯期天 2025-03-15 07:31

今天主要是关于:PCB电源设计的7个注意事项

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。

关于稳压器的更多内容,欢迎阅读以下文章:

还搞不懂稳压电路?一定要看这一文,稳压电路工作原理+电路设计

稳压器

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。

线性稳压器

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。

PCB散热

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

PCB散热

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。

关于PCB设计接地的更多内容,欢迎阅读以下文章:

PCB接地端怎么处理?PCB接地系统详细讲解,14种PCB接地方案总结


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

关于EMI的更多内容,欢迎阅读以下文章:

如何抑制MEI电磁干扰传导?如何选择EMI滤波器?看这一文,秒懂

EMI滤波器

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

以上就是关于PCB电源设计的7个注意事项总结。


原文链接:

https://www.toutiao.com/article/7254482891286561315/

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图文详解离线开关电源(SMPS)方案,一看就懂


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