電源 PCB 布局中的常見(jiàn)錯(cuò)誤及避免方式

電源的物理布局對(duì)于電源能否良好工作起著至關(guān)重要的作用，不良的 PCB 布局可能會(huì)使原本優(yōu)秀的設(shè)計(jì)無(wú)法正常工作。以下將介紹 DC/DC 和 AC/DC 電源中一些常見(jiàn)的 PCB 布局錯(cuò)誤、可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象、根本原因以及優(yōu)化布局的方法和相關(guān)技巧。

1. 常見(jiàn)錯(cuò)誤一：功率器件散熱不良

• 異?，F(xiàn)象
  • 功率器件溫度過(guò)高，可能導(dǎo)致器件性能下降，甚至損壞。例如，MOSFET 的導(dǎo)通電阻會(huì)隨溫度升高而增大，進(jìn)一步增加功耗，形成惡性循環(huán)。長(zhǎng)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(méi)有為功率器件提供足夠的散熱路徑。功率器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，如果周圍的銅箔面積過(guò)小或沒(méi)有與散熱片良好連接，熱量無(wú)法及時(shí)散發(fā)出去。此外，布局過(guò)于緊湊，導(dǎo)致空氣流通不暢，也會(huì)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(guò)大面積的覆銅來(lái)實(shí)現(xiàn)，如在功率器件的焊盤下方及周圍鋪設(shè)大面積的接地銅箔。合理設(shè)計(jì)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(shí)，在布局時(shí)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(dòng)帶走熱量。
• 技巧和竅門
  • 使用熱阻較低的散熱材料，如導(dǎo)熱硅膠墊，可提高功率器件與散熱片之間的熱傳導(dǎo)效率。在布局時(shí)，可以參考功率器件的熱仿真結(jié)果，優(yōu)化散熱路徑的設(shè)計(jì)。對(duì)于多層 PCB 板，可以利用內(nèi)層的銅箔作為散熱層，進(jìn)一步提高散熱能力。

2. 常見(jiàn)錯(cuò)誤二：輸入輸出電容布局不合理

• 異?，F(xiàn)象
  • 電源輸出電壓紋波增大，可能影響負(fù)載的正常工作。例如，對(duì)于一些對(duì)電源純凈度要求較高的電子設(shè)備，如音頻放大器，過(guò)大的電壓紋波可能會(huì)導(dǎo)致音頻信號(hào)失真。此外，不合理的電容布局還可能導(dǎo)致電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能下降，在負(fù)載變化時(shí)無(wú)法及時(shí)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(guò)長(zhǎng)或電感過(guò)大。在高頻開(kāi)關(guān)電源中，電流的變化速度很快，過(guò)長(zhǎng)的連接路徑會(huì)產(chǎn)生較大的寄生電感，根據(jù)電感的特性，會(huì)阻礙電流的快速變化，從而影響電容對(duì)電壓的平滑作用。同時(shí)，電容的位置如果遠(yuǎn)離功率器件，在功率器件開(kāi)關(guān)瞬間，電容無(wú)法及時(shí)提供或吸收電荷，導(dǎo)致電壓波動(dòng)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(duì)于大容量的電解電容，可以采用多個(gè)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(shí)，要注意電容的極性連接正確，避免因極性錯(cuò)誤導(dǎo)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(guò)孔將電容的不同層連接起來(lái)，形成一個(gè)低電感的電流回路，提高電容的濾波效果。

3. 常見(jiàn)錯(cuò)誤三：高頻信號(hào)走線處理不當(dāng)

• 異?，F(xiàn)象
  • 產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）問(wèn)題，影響周圍電子設(shè)備的正常工作。例如，可能導(dǎo)致附近的無(wú)線通信設(shè)備（如手機(jī)、藍(lán)牙設(shè)備等）出現(xiàn)信號(hào)干擾，通信質(zhì)量下降。同時(shí)，過(guò)高的 EMI 輻射也可能使電源本身無(wú)法通過(guò)電磁兼容性（EMC）測(cè)試，無(wú)法在市場(chǎng)上銷售和使用。
• 根本原因
  • 高頻信號(hào)走線沒(méi)有進(jìn)行合理的阻抗匹配和屏蔽處理。在高頻情況下，信號(hào)走線的特性阻抗如果與源端和負(fù)載端不匹配，會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，導(dǎo)致信號(hào)失真并產(chǎn)生輻射干擾。此外，高頻信號(hào)走線如果沒(méi)有與其他信號(hào)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(duì)于高頻信號(hào)走線，要進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，可通過(guò)調(diào)整走線寬度、長(zhǎng)度以及添加終端匹配電阻等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。將高頻信號(hào)走線與其他信號(hào)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(shí)，可以采用屏蔽措施，如在高頻信號(hào)走線上方或下方鋪設(shè)接地層，或者使用屏蔽線來(lái)傳輸高頻信號(hào)，將干擾限制在一定范圍內(nèi)。
• 技巧和竅門
  • 在 PCB 設(shè)計(jì)軟件中，可以使用電磁場(chǎng)仿真工具對(duì)高頻信號(hào)走線的 EMI 性能進(jìn)行分析和優(yōu)化。在布局時(shí)，盡量避免高頻信號(hào)走線的銳角轉(zhuǎn)彎，采用圓角或斜角過(guò)渡，以減少信號(hào)反射。對(duì)于多層 PCB 板，合理安排高頻信號(hào)層和地層的位置，如將高頻信號(hào)層夾在地層之間，形成良好的屏蔽效果。

4. 常見(jiàn)錯(cuò)誤四：接地設(shè)計(jì)不合理

• 異?，F(xiàn)象
  • 電源系統(tǒng)出現(xiàn)地電位波動(dòng)，導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)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(huì)使信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生偏移，影響數(shù)字電路的邏輯判斷，導(dǎo)致系統(tǒng)誤動(dòng)作。此外，不合理的接地還可能引入外界的干擾信號(hào)，進(jìn)一步惡化系統(tǒng)性能。
• 根本原因
  • 接地方式選擇不當(dāng)或接地路徑混亂。單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地等不同接地方式適用于不同的電路場(chǎng)景，如果選擇錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致地電流回流不暢，產(chǎn)生地電位差。同時(shí)，在 PCB 布局中，如果沒(méi)有將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)處理，或者沒(méi)有正確連接它們，會(huì)使數(shù)字信號(hào)中的高頻噪聲耦合到模擬電路中，影響模擬信號(hào)的質(zhì)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(duì)于低頻電路，單點(diǎn)接地可以有效減少地電位波動(dòng)；對(duì)于高頻電路，多點(diǎn)接地更有利于地電流的快速回流。在布局時(shí)，要將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)，避免它們?cè)?PCB 板上形成大面積的共地平面，然后在合適的位置通過(guò)磁珠或 0 歐姆電阻將它們連接在一起，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)連接，減少數(shù)字噪聲對(duì)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(gè)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(duì)于對(duì)噪聲敏感的模擬電路部分，可以采用獨(dú)立的接地層，并將其與其他接地層通過(guò)法拉第屏蔽等方式隔離，提高抗干擾能力。

5. 總結(jié)

在電源 PCB 布局設(shè)計(jì)中，要充分認(rèn)識(shí)到布局對(duì)電源性能的重要性，避免上述常見(jiàn)錯(cuò)誤的發(fā)生。通過(guò)合理的布局優(yōu)化、元件選型和接地設(shè)計(jì)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(yīng)用場(chǎng)景下都能正常工作，滿足系統(tǒng)的需求。同時(shí)，不斷積累和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，關(guān)注行業(yè)內(nèi)的最新技術(shù)和設(shè)計(jì)方法，有助于設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的電源產(chǎn)品。

審核編輯 黃宇