分享PCB電源設計的7個注意事項

您是否考慮過如何在復雜的 PCB 中傳輸功率？ 是的，對于PCB設計者來說，設計一個電源來為每個PCB元件（IC、發射器、電容器等）提供所需的功率是一項艱巨的任務，因為每個元件的功率要求都不同。 只有完美的電源設計才能幫助克服這一挑戰。

隨著電路設計密度和復雜性的增加，電源設計的復雜性也被放大。 為PCB設計人員提供了PCB電源設計和布局的多種可能性。 盡管PCB電源設計多種多樣，但設計人員必須遵循一定的規則并處理與其相關的常見問題。

電源設計中需要解決的一些常見問題包括 EMI、處理高電流的布線設計、減少電流環路、選擇組件以及遵循數據表中的布局建議。

PCB電源設計

• PCB電源設計注意事項

• 選擇合適的PCB電源調節器

• 電源熱管理

• 地平面和電源層可以提供更好的PCB供電

• 去耦電容和旁路電容

• EMI濾波

• 傳輸系統的頻率響應

• 電源完整性 (PI)

• PCB電源設計

電源設計的目的不僅僅是將電源從交流電轉換為直流電。 電源的作用是以正確的電壓和電流向電路元件供電。 未來，電壓通常會低至1.8V和1.2V器件。 低電壓會降低電源噪聲的容忍度。

電源還需要限流來限制最大電流。 因此，電源的重要參數是電壓、最大電流、電壓紋波和最大電流下的熱損耗。

PCB電源設計注意事項

在設計電源時，合理布局的PCB的重要性怎么強調都不為過。 此外，設計人員必須了解電源操作的重要性，才能使這項工作取得成功。

對于電源設計，設計人員需要執行良好的 PCB 布局并規劃有效的配電網絡。 此外，設計人員需要確保噪聲數字電路電源與關鍵模擬電路電源和電路分開。 以下是需要考慮的一些重要事項：

1.選擇合適的PCB電源調節器

通常，設計人員在選擇電源穩壓器時有兩種選擇，即線性穩壓器和開關模式穩壓器。 線性穩壓器提供低噪聲輸出，但散熱量高，因此需要冷卻系統。 開關模式穩壓器在很寬的電流范圍內都很高效，但開關噪聲可能會導致尖峰。

線性模式需要比所需輸出電壓更高的輸入電壓，因為會有最小的電壓差。 線性穩壓器會有相當大的功率損耗和散熱，這會降低線性穩壓器的效率。 如果您正在考慮使用線性穩壓器進行 PCB 設計，則必須考慮低壓差穩壓器并在制造前執行熱分析。 此外，線性模式穩壓器簡單、便宜，并提供出色的無噪聲電壓輸出。

開關調節器將能量暫時存儲在電感器中，然后在不同的開關時間以不同的電壓釋放能量，并將一種電壓轉換為另一種電壓。 該電源使用快速開關 MOSFET。 這些高效穩壓器的輸出可以通過改變脈寬調制（PWM）的占空比來調整。 效率取決于電路的散熱，在這種情況下效率很低。

開關穩壓器的 PWM 開關可能會在輸出中產生噪聲或紋波。 開關電流可能會導致其他信號中的噪聲串擾。 因此，開關電源需要與關鍵信號隔離。

開關穩壓器采用 MOSFET 技術，因此很明顯這些穩壓器會發出 EMI（電磁干擾）噪聲。 我們無法完全消除任何電路中的 EMI，但可以通過降低 EMI 的措施（例如濾波、減少電流環路、接地層和屏蔽）將其降至最低。 在設計中添加開關模式穩壓器之前，應考慮電磁兼容性 (EMC) 措施。

選擇穩壓器時，線性和開關穩壓電源是兩個明顯的選擇。 線性控制電源更便宜，但效率低下，并且散發更多熱量。 同時，開關穩壓電源價格昂貴，需要連接較多的無源元件，不易發熱。

2、電源的熱管理

電源的性能直接取決于冷卻。 大多數電子元件在電流通過時都會產生熱量。 散發的熱量取決于組件的功率水平、特性和阻抗。 如前所述，選擇合適的穩壓器可以減少電路中的散熱。 開關穩壓器的散熱量很小，因此效率很高。

電子電路在較低溫度下工作更有效。 為了確保器件在環境溫度下工作，設計者應考慮適當的冷卻方法。

如果設計者選擇線性調節器，在系統允許的情況下，建議使用散熱器或其他冷卻方法。 設計中可集成風扇，保證設備高散熱時強制冷卻。

整個PCB的散熱可能不均勻。 額定功率高的組件會散發大量熱量，在其周圍形成熱點。 可以在這些組件附近使用散熱孔，以快速將熱量從該區域轉移出去。

冷卻技術和冷卻方法的結合可以創建高效的電源設計。 設計人員可以使用傳導冷卻方法（例如散熱器、熱管、散熱器）或對流冷卻方法（例如冷卻風扇、熱電冷卻器等）。

3. 地平面和電源層，提供更好的PCB供電

接地層和電源層是用于電力傳輸的低阻抗路徑。 電源需要一個單獨的接地層來分配功率、降低 EMI、最大限度地減少串擾并降低電壓降。 電源層專用于將電源傳輸到 PCB 的所需區域。

PCB設計人員需要分別處理接地網絡的各個部分。 在多層PCB中，一層或多層可以專門用于接地層和電源層。 此外，它們可以通過在兩個有源信號層之間放置接地層來減少干擾和串擾，從而有效地將信號路由連接到地面。

4. 去耦電容和旁路電容

一般電源設計中的功率流

當電源分配到整個板上的組件時，不同的有源組件將導致電源軌中的地彈和振鈴。 這可能會導致組件電源引腳附近出現壓降。 在這種情況下，設計人員在組件電源引腳附近使用去耦電容器和旁路電容器，以提供器件電流需求的短期峰值。

去耦背后的概念是降低電源和地之間的阻抗。 去耦電容作為二次電源，提供IC所需的電流。 它還充當本地電荷源以支持開關事件。

旁路電容器旁路噪聲并減少電源總線的波動。 它們放置在靠近設備或我的地方。