PCB电源设计需要考虑的九大因素！

 

PCB电源设计是一个复杂的过程,需要考虑的因素很多。

 

一、在选择电源拓扑结构时,需要全面考虑输入电压范围、输出电压、功率水平、效率要求、纹波指标、成本预算等多方面因素。

以Buck电路为例,它适合在输入电压较高、输出电压较低的应用场合,能实现高效率的降压转换，但当输出电压低于输入电压的35%左右时，会出现严重的导通损耗,此时不建议采用Buck结构。

另一种常见的Boost电路则适合低压侧的升压应用,能获得较高的升压比和效率，但存在输入电压过低、失衡等工作限制。

 

二、在选择关键器件时,功率开关管是核心器件之一。

对于MOSFET,需要综合考虑其耐压等级、额定电流、导通阻抗Rdson、反向恢复特性、可驱动能力、开关速度以及工作时的功率损耗等指标。

而对于IGBT，更适合应用于高压、大功率的场合。除此之外，变压器/电感的设计也非常关键，需要根据磁芯尺寸、材料、缠绕长度、匝数比、耦合系数、散射电感等参数进行合理设计，以确保良好的能量传递效率和工作稳定性。

 

三、在设计输出和输入滤波电容时,通常需要采用电解电容来抑制低频纹波。

对于输出滤波电容,选型时需要结合预期使用寿命、工作温度、纹波电流等条件，选择合适的电容值和电解液型号规格。

同时并联陶瓷电容可以很好地抑制交流纹波和过冲峰值。对于输入滤波电容，也需要电解电容来滤除低频纹波，并在其两端串联安全电阻,陶瓷电容则用于抑制高频涟波。

 

四、良好的热设计对于电源产品的可靠运行至关重要。

在PCB布局时，需要将发热较大的功率器件远离对温度敏感的元件，同时在热源元件周围保留良好的散热通道。

对于小功率电路，可以通过增加外部散热片的面积以及增加PCB内部铜箔层面积来提高自然对流散热能力。

而对于大功率电路，则需要采用风扇强制空气对流散热，并结合合适的散热器进行散热设计。

 

五、为了满足EMI/EMC法规标准,需要在电源设计中作相应的防护措施。

在交流输入端，需要设计Pi型或T型滤波网络,滤除交流输入端的EMI；而在直流输出端,则需要设计LC滤波电路或者增加独立的EMI滤波器，以抑制辐射到负载端的EMI。

在PCB布局层次上，要将高压高频开关电路与低压模拟电路合理隔离,采用适当的屏蔽罩或隔离层。同时要保证各区域良好接地,在高频环路处采用尽可能厚的铜箔布线，降低高频接地阻抗。

EMC标准

 

六、设计商业、公共、轻工业或住宅场所使用的电气和电子设备的抗扰度要求。

开关设备和控制EN/IEC 60947-1调节工作电压在1500 V DC和1000 V AC范围内的低压开关设备和控制设备。电站和变电站IEC TS 61000-6-5设置用于发电、输电和配电的设备的抗扰度级别。过程控制和测量EN/IEC 61326-1指定工作电位小于 1000 Vac 和 1500 V DC 的电气设备或装置的抗扰度和辐射水平。

 

七、在反馈控制设计方面,经典的控制方式有峰值电流模式控制和平均电流模式控制。

前者结构简单，能有效防止电流走飞，但存在耦合电阻效应,反馈响应相对较慢。而平均电流模式则更适合大电流负载应用，反应时间短,纹波和谐波含量也较低，但成本相对较高。

近年来，数字控制芯片的兴起为电源控制算法带来了新的可能性，可以实现各种灵活智能的控制算法，但其A/D采样和数字处理的时延也需要考虑。

无论采用何种控制方式，其反馈补偿网络的参数设计都是关键，直接决定了电源的动态响应性能。

 

八、在保护电路设计方面,需要覆盖整个电源正常工作范围。

包括输入欠压锁存保护、检测输出电压的过压/欠压保护、基于电阻采样或者峰值电流模式实现的过流/短路保护、软起动电路避免启动过程的浪涌电流对元件的冲击,以及温度检测保护电路预防电源过热等。

这些保护措施需要合理设计，确保在异常状况下能够可靠地防止电路损坏。

 

九、合理的PCB布局对于实现高性能的电源设计也非常重要。

布线时需要注意将高频、高能量的电流通路环路面积控制在最小，以减小高频电磁辐射。

同时要将磁性元件、功率开关等器件远离模拟控制电路，避免磁场和电场对其产生干扰。

对于高频开关节点，可以采用阻焊孔或缝隙排线的方式，降低交叉耦合。而对于耦合电感等磁性器件，可以设置磁场屏蔽罩或隔离层。

整个电源电路要采用单独的地平面，降低地阻抗。

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最后，不可忽视建模仿真在现代电源设计中的重要作用。

通常需要先进行理想化的功率级电路仿真，预测关键性能指标如效率、纹波、稳态特性等;然后加入寄生参数进行全电路仿真，分析瞬态响应、EMI噪声等；最终加入热模型和EMI仿真模型，综合分析热效应和EMI性能。

仿真不仅有助于预先发现和解决设计问题，而且也能优化关键参数，缩短实际设计验证周期。

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PCB电源设计是一个系统复杂的工程，需要全面把控电路拓扑、器件选型、热设计、EMI控制、控制算法、保护电路、PCB布线以及仿真验证等诸多关键环节，并在实践中不断积累经验，才能最终设计出高性能、高可靠的电源产品。

 

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