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(yōu)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(xiàn)的異常現(xiàn)象、根本原因以及優(yōu)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

• 異常現(xiàn)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(huán)。長期高溫還可能影響器件的壽命，降低系統(tǒng)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(chǎn)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(fā)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(yōu)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(xiàn)，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(nèi)，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(yōu)化散熱路徑的設計。對于多層 PCB 板，可以利用內(nèi)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

• 異常現(xiàn)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(tài)響應性能下降，在負載變化時無法及時調(diào)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(chǎn)生較大的寄生電感，根據(jù)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(yōu)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(lián)的方式，既能滿足電容容量要求，又能降低等效串聯(lián)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(xiàn)象
  • 產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)生反射現(xiàn)象，導致信號失真并產(chǎn)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(fā)生電磁耦合，將干擾傳播到其他線路上。
• 優(yōu)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(diào)整走線寬度、長度以及添加終端匹配電阻等方式來實現(xiàn)。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(nèi)。
• 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(yōu)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(xiàn)象
  • 電源系統(tǒng)出現(xiàn)地電位波動，導致信號傳輸錯誤或電路工作不穩(wěn)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(chǎn)生偏移，影響數(shù)字電路的邏輯判斷，導致系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)生地電位差。同時，在 PCB 布局中，如果沒有將模擬地和數(shù)字地分開處理，或者沒有正確連接它們，會使數(shù)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(yōu)化布局方法
  • 根據(jù)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(shù)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(xiàn)單點連接，減少數(shù)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(wěn)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(fā)生。通過合理的布局優(yōu)化、元件選型和接地設計等措施，可以提高電源的可靠性、穩(wěn)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(tǒng)的需求。同時，不斷積累和總結經(jīng)驗，關注行業(yè)內(nèi)的最新技術和設計方法，有助于設計出更優(yōu)秀的電源產(chǎn)品。

審核編輯 黃宇