PCB電源設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程,需要考慮的因素很多。

一、在選擇電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),需要全面考慮輸入電壓范圍、輸出電壓、功率水平、效率要求、紋波指標(biāo)、成本預(yù)算等多方面因素。

以Buck電路為例,它適合在輸入電壓較高、輸出電壓較低的應(yīng)用場合,能實(shí)現(xiàn)高效率的降壓轉(zhuǎn)換，但當(dāng)輸出電壓低于輸入電壓的35%左右時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的導(dǎo)通損耗,此時(shí)不建議采用Buck結(jié)構(gòu)。

另一種常見的Boost電路則適合低壓側(cè)的升壓應(yīng)用,能獲得較高的升壓比和效率，但存在輸入電壓過低、失衡等工作限制。

二、在選擇關(guān)鍵器件時(shí),功率開關(guān)管是核心器件之一。

對于MOSFET,需要綜合考慮其耐壓等級、額定電流、導(dǎo)通阻抗Rdson、反向恢復(fù)特性、可驅(qū)動(dòng)能力、開關(guān)速度以及工作時(shí)的功率損耗等指標(biāo)。

而對于IGBT，更適合應(yīng)用于高壓、大功率的場合。除此之外，變壓器/電感的設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵，需要根據(jù)磁芯尺寸、材料、纏繞長度、匝數(shù)比、耦合系數(shù)、散射電感等參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以確保良好的能量傳遞效率和工作穩(wěn)定性。

三、在設(shè)計(jì)輸出和輸入濾波電容時(shí),通常需要采用電解電容來抑制低頻紋波。

對于輸出濾波電容,選型時(shí)需要結(jié)合預(yù)期使用壽命、工作溫度、紋波電流等條件，選擇合適的電容值和電解液型號規(guī)格。

同時(shí)并聯(lián)陶瓷電容可以很好地抑制交流紋波和過沖峰值。對于輸入濾波電容，也需要電解電容來濾除低頻紋波，并在其兩端串聯(lián)安全電阻,陶瓷電容則用于抑制高頻漣波。

四、良好的熱設(shè)計(jì)對于電源產(chǎn)品的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

在PCB布局時(shí)，需要將發(fā)熱較大的功率器件遠(yuǎn)離對溫度敏感的元件，同時(shí)在熱源元件周圍保留良好的散熱通道。

對于小功率電路，可以通過增加外部散熱片的面積以及增加PCB內(nèi)部銅箔層面積來提高自然對流散熱能力。

而對于大功率電路，則需要采用風(fēng)扇強(qiáng)制空氣對流散熱，并結(jié)合合適的散熱器進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

五、為了滿足EMI/EMC法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),需要在電源設(shè)計(jì)中作相應(yīng)的防護(hù)措施。

在交流輸入端，需要設(shè)計(jì)Pi型或T型濾波網(wǎng)絡(luò),濾除交流輸入端的EMI；而在直流輸出端,則需要設(shè)計(jì)LC濾波電路或者增加獨(dú)立的EMI濾波器，以抑制輻射到負(fù)載端的EMI。

在PCB布局層次上，要將高壓高頻開關(guān)電路與低壓模擬電路合理隔離,采用適當(dāng)?shù)钠帘握只蚋綦x層。同時(shí)要保證各區(qū)域良好接地,在高頻環(huán)路處采用盡可能厚的銅箔布線，降低高頻接地阻抗。

EMC標(biāo)準(zhǔn)

六、設(shè)計(jì)商業(yè)、公共、輕工業(yè)或住宅場所使用的電氣和電子設(shè)備的抗擾度要求。

開關(guān)設(shè)備和控制EN/IEC 60947-1調(diào)節(jié)工作電壓在1500 V DC和1000 V AC范圍內(nèi)的低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備。電站和變電站IEC TS 61000-6-5設(shè)置用于發(fā)電、輸電和配電的設(shè)備的抗擾度級別。過程控制和測量EN/IEC 61326-1指定工作電位小于 1000 Vac 和 1500 V DC 的電氣設(shè)備或裝置的抗擾度和輻射水平。

七、在反饋控制設(shè)計(jì)方面,經(jīng)典的控制方式有峰值電流模式控制和平均電流模式控制。

前者結(jié)構(gòu)簡單，能有效防止電流走飛，但存在耦合電阻效應(yīng),反饋響應(yīng)相對較慢。而平均電流模式則更適合大電流負(fù)載應(yīng)用，反應(yīng)時(shí)間短,紋波和諧波含量也較低，但成本相對較高。

近年來，數(shù)字控制芯片的興起為電源控制算法帶來了新的可能性，可以實(shí)現(xiàn)各種靈活智能的控制算法，但其A/D采樣和數(shù)字處理的時(shí)延也需要考慮。

無論采用何種控制方式，其反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)計(jì)都是關(guān)鍵，直接決定了電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

八、在保護(hù)電路設(shè)計(jì)方面,需要覆蓋整個(gè)電源正常工作范圍。

包括輸入欠壓鎖存保護(hù)、檢測輸出電壓的過壓/欠壓保護(hù)、基于電阻采樣或者峰值電流模式實(shí)現(xiàn)的過流/短路保護(hù)、軟起動(dòng)電路避免啟動(dòng)過程的浪涌電流對元件的沖擊,以及溫度檢測保護(hù)電路預(yù)防電源過熱等。

這些保護(hù)措施需要合理設(shè)計(jì)，確保在異常狀況下能夠可靠地防止電路損壞。

九、合理的PCB布局對于實(shí)現(xiàn)高性能的電源設(shè)計(jì)也非常重要。

布線時(shí)需要注意將高頻、高能量的電流通路環(huán)路面積控制在最小，以減小高頻電磁輻射。

同時(shí)要將磁性元件、功率開關(guān)等器件遠(yuǎn)離模擬控制電路，避免磁場和電場對其產(chǎn)生干擾。

對于高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)，可以采用阻焊孔或縫隙排線的方式，降低交叉耦合。而對于耦合電感等磁性器件，可以設(shè)置磁場屏蔽罩或隔離層。

整個(gè)電源電路要采用單獨(dú)的地平面，降低地阻抗。

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最后，不可忽視建模仿真在現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)中的重要作用。

通常需要先進(jìn)行理想化的功率級電路仿真，預(yù)測關(guān)鍵性能指標(biāo)如效率、紋波、穩(wěn)態(tài)特性等;然后加入寄生參數(shù)進(jìn)行全電路仿真，分析瞬態(tài)響應(yīng)、EMI噪聲等；最終加入熱模型和EMI仿真模型，綜合分析熱效應(yīng)和EMI性能。

仿真不僅有助于預(yù)先發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)問題，而且也能優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，縮短實(shí)際設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期。

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PCB電源設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的工程，需要全面把控電路拓?fù)洹⑵骷x型、熱設(shè)計(jì)、EMI控制、控制算法、保護(hù)電路、PCB布線以及仿真驗(yàn)證等諸多關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，才能最終設(shè)計(jì)出高性能、高可靠的電源產(chǎn)品。

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