電源的物理布局對于電源能否良好工作起著至關重要的作用，不良的 PCB 布局可能會使原本優秀的設計無法正常工作。以下將介紹 DC/DC 和 AC/DC 電源中一些常見的 PCB 布局錯誤、可能出現的異常現象、根本原因以及優化布局的方法和相關技巧。

1. 常見錯誤一：功率器件散熱不良

• 異?，F象
  • 功率器件溫度過高，可能導致器件性能下降，甚至損壞。例如，MOSFET 的導通電阻會隨溫度升高而增大，進一步增加功耗，形成惡性循環。長期高溫還可能影響器件的壽命，降低系統的可靠性。
• 根本原因
  • PCB 布局中沒有為功率器件提供足夠的散熱路徑。功率器件在工作時會產生熱量，如果周圍的銅箔面積過小或沒有與散熱片良好連接，熱量無法及時散發出去。此外，布局過于緊湊，導致空氣流通不暢，也會影響散熱效果。
• 優化布局方法
  • 增加功率器件與 PCB 板的接觸面積，可通過大面積的覆銅來實現，如在功率器件的焊盤下方及周圍鋪設大面積的接地銅箔。合理設計散熱片與功率器件的安裝方式，確保熱量能夠有效地從器件傳遞到散熱片上。同時，在布局時要考慮空氣的流通路徑，避免將功率器件放置在封閉或狹小的空間內，保證有足夠的空間讓空氣流動帶走熱量。
• 技巧和竅門
  • 使用熱阻較低的散熱材料，如導熱硅膠墊，可提高功率器件與散熱片之間的熱傳導效率。在布局時，可以參考功率器件的熱仿真結果，優化散熱路徑的設計。對于多層 PCB 板，可以利用內層的銅箔作為散熱層，進一步提高散熱能力。

2. 常見錯誤二：輸入輸出電容布局不合理

• 異?，F象
  • 電源輸出電壓紋波增大，可能影響負載的正常工作。例如，對于一些對電源純凈度要求較高的電子設備，如音頻放大器，過大的電壓紋波可能會導致音頻信號失真。此外，不合理的電容布局還可能導致電源的動態響應性能下降，在負載變化時無法及時調整輸出電壓。
• 根本原因
  • 輸入輸出電容與功率器件之間的連接路徑過長或電感過大。在高頻開關電源中，電流的變化速度很快，過長的連接路徑會產生較大的寄生電感，根據電感的特性，會阻礙電流的快速變化，從而影響電容對電壓的平滑作用。同時，電容的位置如果遠離功率器件，在功率器件開關瞬間，電容無法及時提供或吸收電荷，導致電壓波動增大。
• 優化布局方法
  • 將輸入輸出電容盡可能靠近功率器件放置，縮短它們之間的連接路徑，減小寄生電感。對于大容量的電解電容，可以采用多個小容量電容并聯的方式，既能滿足電容容量要求，又能降低等效串聯電感（ESL）。在布局時，要注意電容的極性連接正確，避免因極性錯誤導致電容失效或損壞。
• 技巧和竅門
  • 選擇低 ESL 的電容，如多層陶瓷電容（MLCC），其具有較好的高頻特性，能夠更有效地平滑電壓紋波。在 PCB 布局中，可以使用過孔將電容的不同層連接起來，形成一個低電感的電流回路，提高電容的濾波效果。

3. 常見錯誤三：高頻信號走線處理不當

• 異常現象
  • 產生嚴重的電磁干擾（EMI）問題，影響周圍電子設備的正常工作。例如，可能導致附近的無線通信設備（如手機、藍牙設備等）出現信號干擾，通信質量下降。同時，過高的 EMI 輻射也可能使電源本身無法通過電磁兼容性（EMC）測試，無法在市場上銷售和使用。
• 根本原因
  • 高頻信號走線沒有進行合理的阻抗匹配和屏蔽處理。在高頻情況下，信號走線的特性阻抗如果與源端和負載端不匹配，會產生反射現象，導致信號失真并產生輻射干擾。此外，高頻信號走線如果沒有與其他信號線或地平面保持足夠的距離，容易發生電磁耦合，將干擾傳播到其他線路上。
• 優化布局方法
  • 對于高頻信號走線，要進行阻抗匹配設計，可通過調整走線寬度、長度以及添加終端匹配電阻等方式來實現。將高頻信號走線與其他信號線和地平面保持一定的距離，如至少 3 倍線寬的間距，減少電磁耦合。同時，可以采用屏蔽措施，如在高頻信號走線上方或下方鋪設接地層，或者使用屏蔽線來傳輸高頻信號，將干擾限制在一定范圍內。
• 技巧和竅門
  • 在 PCB 設計軟件中，可以使用電磁場仿真工具對高頻信號走線的 EMI 性能進行分析和優化。在布局時，盡量避免高頻信號走線的銳角轉彎，采用圓角或斜角過渡，以減少信號反射。對于多層 PCB 板，合理安排高頻信號層和地層的位置，如將高頻信號層夾在地層之間，形成良好的屏蔽效果。

4. 常見錯誤四：接地設計不合理

• 異常現象
  • 電源系統出現地電位波動，導致信號傳輸錯誤或電路工作不穩定。例如，不同電路模塊之間的地電位差異可能會使信號在傳輸過程中產生偏移，影響數字電路的邏輯判斷，導致系統誤動作。此外，不合理的接地還可能引入外界的干擾信號，進一步惡化系統性能。
• 根本原因
  • 接地方式選擇不當或接地路徑混亂。單點接地、多點接地等不同接地方式適用于不同的電路場景，如果選擇錯誤，會導致地電流回流不暢，產生地電位差。同時，在 PCB 布局中，如果沒有將模擬地和數字地分開處理，或者沒有正確連接它們，會使數字信號中的高頻噪聲耦合到模擬電路中，影響模擬信號的質量。
• 優化布局方法
  • 根據電路的頻率特性和工作要求選擇合適的接地方式。對于低頻電路，單點接地可以有效減少地電位波動；對于高頻電路，多點接地更有利于地電流的快速回流。在布局時，要將模擬地和數字地分開，避免它們在 PCB 板上形成大面積的共地平面，然后在合適的位置通過磁珠或 0 歐姆電阻將它們連接在一起，實現單點連接，減少數字噪聲對模擬電路的干擾。
• 技巧和竅門
  • 在接地路徑上添加去耦電容，如在每個集成電路的電源引腳和地引腳之間添加 0.1μF 的陶瓷電容，可減少電源線上的噪聲干擾，穩定地電位。對于對噪聲敏感的模擬電路部分，可以采用獨立的接地層，并將其與其他接地層通過法拉第屏蔽等方式隔離，提高抗干擾能力。

5. 總結

在電源 PCB 布局設計中，要充分認識到布局對電源性能的重要性，避免上述常見錯誤的發生。通過合理的布局優化、元件選型和接地設計等措施，可以提高電源的可靠性、穩定性和 EMI 性能，確保電源在各種應用場景下都能正常工作，滿足系統的需求。同時，不斷積累和總結經驗，關注行業內的最新技術和設計方法，有助于設計出更優秀的電源產品。

審核編輯 黃宇