分享PCB电源设计的7个注意事项

分享PCB电源设计的7个注意事项

您是否考虑过如何在复杂的 PCB 中传输功率？ 是的，对于PCB设计者来说，设计一个电源来为每个PCB元件（IC、发射器、电容器等）提供所需的功率是一项艰巨的任务，因为每个元件的功率要求都不同。 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性的增加，电源设计的复杂性也被放大。 为PCB设计人员提供了PCB电源设计和布局的多种可能性。 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其相关的常见问题。

电源设计中需要解决的一些常见问题包括 EMI、处理高电流的布线设计、减少电流环路、选择组件以及遵循数据表中的布局建议。

PCB电源设计

• PCB电源设计注意事项

• 选择合适的PCB电源调节器

• 电源热管理

• 地平面和电源层可以提供更好的PCB供电

• 去耦电容和旁路电容

• EMI滤波

• 传输系统的频率响应

• 电源完整性 (PI)

• PCB电源设计

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向电路元件供电。 未来，电压通常会低至1.8V和1.2V器件。 低电压会降低电源噪声的容忍度。

电源还需要限流来限制最大电流。 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下的热损耗。

PCB电源设计注意事项

在设计电源时，合理布局的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，才能使这项工作取得成功。

对于电源设计，设计人员需要执行良好的 PCB 布局并规划有效的配电网络。 此外，设计人员需要确保噪声数字电路电源与关键模拟电路电源和电路分开。 以下是需要考虑的一些重要事项：

1.选择合适的PCB电源调节器

通常，设计人员在选择电源稳压器时有两种选择，即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，但散热量高，因此需要冷却系统。 开关模式稳压器在很宽的电流范围内都很高效，但开关噪声可能会导致尖峰。

线性模式需要比所需输出电压更高的输入电压，因为会有最小的电压差。 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。 如果您正在考虑使用线性稳压器进行 PCB 设计，则必须考虑低压差稳压器并在制造前执行热分析。 此外，线性模式稳压器简单、便宜，并提供出色的无噪声电压输出。

开关调节器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能量，并将一种电压转换为另一种电压。 该电源使用快速开关 MOSFET。 这些高效稳压器的输出可以通过改变脉宽调制（PWM）的占空比来调整。 效率取决于电路的散热，在这种情况下效率很低。

开关稳压器的 PWM 开关可能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。

开关稳压器采用 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，但可以通过降低 EMI 的措施（例如滤波、减少电流环路、接地层和屏蔽）将其降至最低。 在设计中添加开关模式稳压器之前，应考虑电磁兼容性 (EMC) 措施。

选择稳压器时，线性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，并且散发更多热量。 同时，开关稳压电源价格昂贵，需要连接较多的无源元件，不易发热。

2、电源的热管理

电源的性能直接取决于冷却。 大多数电子元件在电流通过时都会产生热量。 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。 开关稳压器的散热量很小，因此效率很高。

电子电路在较低温度下工作更有效。 为了确保器件在环境温度下工作，设计者应考虑适当的冷却方法。

如果设计者选择线性调节器，在系统允许的情况下，建议使用散热器或其他冷却方法。 设计中可集成风扇，保证设备高散热时强制冷却。

整个PCB的散热可能不均匀。 额定功率高的组件会散发大量热量，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转移出去。

冷却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、散热器）或对流冷却方法（例如冷却风扇、热电冷却器等）。

3. 地平面和电源层，提供更好的PCB供电

接地层和电源层是用于电力传输的低阻抗路径。 电源需要一个单独的接地层来分配功率、降低 EMI、最大限度地减少串扰并降低电压降。 电源层专用于将电源传输到 PCB 的所需区域。

PCB设计人员需要分别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。 此外，它们可以通过在两个有源信号层之间放置接地层来减少干扰和串扰，从而有效地将信号路由连接到地面。

4. 去耦电容和旁路电容

一般电源设计中的功率流

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。 这可能会导致组件电源引脚附近出现压降。 在这种情况下，设计人员在组件电源引脚附近使用去耦电容器和旁路电容器，以提供器件电流需求的短期峰值。

去耦背后的概念是降低电源和地之间的阻抗。 去耦电容作为二次电源，提供IC所需的电流。 它还充当本地电荷源以支持开关事件。

旁路电容器旁路噪声并减少电源总线的波动。 它们放置在靠近设备或我的地方。