電源模塊PCB設(shè)計的原理和技巧

為什么要學(xué)習(xí)電源電路的設(shè)計?

電源電路是一個電子產(chǎn)品的重要組成部分，電源電路設(shè)計的好壞，直接牽連產(chǎn)品性能的好壞。

電源電路的分類

我們電子產(chǎn)品的電源電路主要有線性電源和高頻開關(guān)電源。從理論上講，線性電源是用戶需要多少電流，輸入端就要提供多少電流;開關(guān)電源是用戶需要多少功率，輸入端就提供多少功率。

線性電源電路原理圖舉例

線性電源功率器件工作在線性狀態(tài)，如我們常用的穩(wěn)壓芯片LM7805、LM317、SPX1117等。下圖1是LM7805穩(wěn)壓電源電路原理圖。

圖1. 線性電源原理圖

從圖上可知，線性電源有整流、濾波、穩(wěn)壓、儲能等功能元件組成，同時，一般用的線性電源為串聯(lián)穩(wěn)壓電源，輸出電流等于輸入電流，I1=I2+I3，I3是參考端，電流很小，因此I1≈I3。我們?yōu)槭裁匆v電流，是因為PCB設(shè)計時，每條線的寬度不是隨便設(shè)的，是要根據(jù)原理圖里元件節(jié)點間的電流大小來確定的(請查《PCB設(shè)計銅鉑厚度、線寬和電流關(guān)系表》)。電流大小、電流流向要搞清楚，做板才恰到好處。

線性電源PCB圖

PCB設(shè)計時，元件的布局要緊湊，要讓所有的連線盡可能短，要按原理圖元件功能關(guān)系去布局元件與走線。本電源圖里就是先整流、再濾波、濾波后才是穩(wěn)壓、穩(wěn)壓后才是儲能電容、流經(jīng)電容后才給后面的電路用電。

圖2是上面原理圖的PCB圖，兩個圖相似。左圖和右圖就是走線有點不一樣，左圖的電源經(jīng)整流后直接就到了穩(wěn)壓芯片的輸入腳了，然后才是穩(wěn)壓電容，這里電容所起的濾波效果就差了很多，輸出也有問題。右圖就是比較好的圖了。我們不僅要考慮正電源的流向問題，還必須考慮地回流問題，一般來說，正電源線和地回流線要盡可能同進同出，彼此離近點。

圖2. 線性電源PCB圖

設(shè)計線性電源PCB時還應(yīng)注意，線性電源的功率穩(wěn)壓芯片的散熱問題，熱量是怎么來的，若穩(wěn)壓芯片前端電壓是10V，輸出端是5V,輸出電流為500mA，那在穩(wěn)壓芯片上就有5V的電壓降，產(chǎn)生的熱量就為2.5W;如果輸入端電壓是15V，電壓降就是10V，產(chǎn)生的熱量就為5W，因此，我們布板是要根據(jù)散熱功率來留出足夠的散熱空間或合理的散熱片。線性電源一般用在壓差比較小，電流比較小的場合，否則，請改用開關(guān)電源電路。

高頻開關(guān)電源電路原理圖舉例

開關(guān)電源就是用通過電路控制開關(guān)管進行高速的導(dǎo)通與截止，產(chǎn)生PWM波形，經(jīng)過電感和續(xù)流二極管，利用電磁電轉(zhuǎn)換的方式調(diào)壓。開關(guān)電源功率大、效率高、發(fā)熱小，我們一般用的電路有：LM2575、MC34063、SP6659等。開關(guān)電源理論上是電路兩端功率相等，電壓成反比，電流成反比。

圖3. LM2575開關(guān)電源電路原理圖

開關(guān)電源PCB圖

開關(guān)電源PCB設(shè)計時，需要注意的地方是:反饋線的引入點、續(xù)流二極管是給誰續(xù)流。從圖3可以看出，U1導(dǎo)通時，電流I2進入電感L1，電感的特性是電流在電感里流過時不能突然產(chǎn)生，也不能突然消失，電流在電感里的變化時有一個時間過程的。在脈沖電流I2流過電感的作用下，有部分電能轉(zhuǎn)換成磁能，電流逐漸增大，到一定時候，控制電路U1關(guān)斷了I2，由于電感的特性，電流不能突然消失，這時候二極管起作用了，它接替電流I2，所以叫續(xù)流二極管，可以看出，續(xù)流二極管是給電感用的，續(xù)流的電流I3是從C3的負(fù)端出發(fā)，經(jīng)D1，L1后流入C3的正端，這里就相當(dāng)于抽水機，利用電感的能量，把電容C3的電壓提高了。

還有就是電壓檢測的反饋線引入點問題，應(yīng)該是經(jīng)過濾波后的地方反饋回去，不然會使輸出的電壓紋波更大。這兩點是我們很多PCB設(shè)計人員經(jīng)常忽視的地方，以為同一個網(wǎng)絡(luò)，接在那兒不是一樣，其實接的地方不一樣，性能影響是很大的。圖4是LM2575開關(guān)電源PCB圖，大家看看錯的那幅圖是哪里錯了。

圖4. LM2575開關(guān)電源PCB圖

我們?yōu)槭裁匆敿?xì)講原理圖原理，因為原理圖里包含了許多畫PCB的信息，如元件引腳的接入點，節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的電流大小等，看清楚了原理圖，PCB設(shè)計就不成問題了。LM7805和LM2575電路分別代表了線性電源和開關(guān)電源的典型布板電路，做PCB時，直接按這兩種PCB圖布局與布線就行，只是產(chǎn)品不同，電路板也不同，根據(jù)實際情況調(diào)整。

萬變不離其宗，所以的電源電路的原理及布板方式都是如此，而每個電子產(chǎn)品都離不開電源及其電路，因此，學(xué)通了這兩個電路，其它的也了然于胸了。