设计交流直流电源 PCB 的经验分享

AC/DC 电源，也称为 AC/DC 转换器，是许多电子应用的重要组成部分，包括消费电子、工业、机器人、医疗和军事应用。

当前的趋势是电源电压越来越低(特别是对于高度集成的数字设备)、占用空间越来越小、重量越来越轻、效率越来越高，这就要求从 PCB 开始精确设计电源电路。

如今，电子应用需要五条或更多条具有不同电气特性和性能的独立电源轨，这种情况十分常见。这些要求使电源的设计变得复杂，电源是电子设备的第一个组件，其正确运行、可靠性和使用寿命取决于此。

本文将讨论工程师在设计 AC/DC电源PCB 时面临的主要问题，例如信号完整性、电源线完整性、电磁干扰、输出电压稳定性和热管理。通过遵循本文提出的一些简单指导原则，设计人员将能够预测这些类型的问题，防止它们对 PCB 设计产生负面影响。

AC/DC 电源的类型

当设计人员选择最适合项目要求的 AC/DC 电源时，需要考虑不同的关键因素，包括：

· 类型(定制或集成)：仅基于分立元件或集成调节器/转换器(IC)的设计

· 技术：线性或开关

· 电气特性：输入电压范围、输出电压类型(固定或可变、单输出或多输出)、输出功率、效率等

· 机械特性：开放式或封闭式、尺寸、重量、冷却系统等。

关于第一点，我们可以说，在许多情况下，最佳解决方案是使用集成设备，它具有多种优势，包括：简化项目、减少 BOM 和上市时间、提供集成保护和诊断功能。然而，对于一些高功率、射频或小众应用，可能需要仅基于分立功率器件的设计。

就所使用的技术而言，选择线性电源还是开关电源(也称为 SMPS，是 Switched Mode Power Supply 的缩写)取决于具体应用的要求。

线性可视为最古老但并非过时的转换技术。尽管线性 AC/DC 电源存在一些缺点，例如效率有限以及随之而来的以热量形式出现的功率损耗，但它仍成功用于需要高可靠性、低噪音、快速恢复和反应时间以及可忽略不计的辐射发射的应用中。

线性电源的一个重要类别是 LDO(低压差)稳压器。如果要最大程度地提高 LDO 的效率，必须尽量减少输入电压和稳压输出电压之间的差值。此外，最好选择热阻较低的稳压器，以防止其过热而超过最佳工作温度。

开关电源已成为交流电压到直流电压转换的参考标准。这种转换是非线性的，通常以闭环方式运行，即使用反馈信号来维持调节。虽然从效率和调节质量的角度来看，开关调节器是首选，但它们的设计可能很复杂，因为它涉及多个设备，其中一些设备具有大型无源元件(电感器和电容器)，如果放置不正确，可能会产生噪声问题。

尽管 SMPS 电源需要更复杂的设计，但它们保证了非常高的效率，超过了最好的线性电源。这可以实现更好的热管理。然而，高频切换的元件会产生大量的电磁噪声。这种 EMI 会影响电信号的质量，甚至可能导致某些元件发生故障甚至损坏。因此，线性技术往往是电子医疗应用和实验室仪器的首选。

布局和布线

在AC/DC电源PCB中，布局起着至关重要的作用，因为它直接影响对电磁干扰的免疫力、信号和电源完整性、电源效率、热管理以及相同设备的可靠性。

此外，良好的布局可提高电源转换效率，将热量从最热的组件中带走，并降低噪声水平。从这个意义上讲，导电迹线的适当尺寸是一个关键因素，可减少产生的热量并提高 PCB 在任何负载条件下的可靠性。布局不当可能会导致大电流或输入和输出电压之间差异较大时出现问题。

一些简单但有效的路由规则如下：

· 要连接电源设备，请使用尽可能短且直的走线

· 避免在走线内插入曲线或尖锐边缘，因为它们会将电场集中在 PCB 的特定点

· 电压差较大的走线必须适当分开

· 避免将高压走线放置在 PCB 的最内层。此外，在最内层，最好增加走线之间的距离

· 将承载敏感或高数据速率信号的走线远离电源走线和调节器，尤其是开关类型的走线

· 在多层 PCB 中，带有敏感信号的走线必须放置在由(可能是实心的)接地层与包含电源线的层隔开的层上

· 为避免信号耦合(可能导致噪声或干扰)，信号走线不应与电源线平行布置，电源线应布置在不同层上。如果可能，信号走线应与电源走线成 90° 角交叉，以减少噪声耦合的影响(见图 2)

· 将高电流走线放置在最外层。如果无法做到这一点，请使用通孔将多个层连接在一起。对于更高的电流，可能需要使用多个通孔。请注意，直径为 14 mil 的通孔允许高达 2A 的电流，直径为 40 mil 或更大的通孔允许高达 5A 的电流。

对于接地平面，请使用实心、不间断的区域或大型多边形。此类区域提供低阻抗路径，能够分散噪声并处理高回流。此外，它们还提供了一条将热量从关键组件散发出去的路径。在两侧放置接地平面有助于吸收辐射 EMI，减少接地环路噪声和错误。

电磁干扰

AC/DC 转换器的设计必须符合严格的安全和电磁干扰规定。在这方面，可能需要插入能够满足标准要求的适当 EMI 滤波器。

一些可能的措施如下：

· 执行初始测试(不添加任何滤波器)以评估 EMI 产生的影响

· 确定产生最多问题的频率

· 对走线的布线采取行动，使电源线和敏感信号尽可能远离

· 消除接地环路

· 作为最后的手段，通过在交流/直流电源的交流输入端串联添加电感元件来设计外部滤波器。

PCB 的 PCB 堆叠由 PCB 内部各层的配置和排列决定，是决定电路板 EMC 性能的关键因素。事实上，设计良好的堆叠可以减少闭合路径发出的辐射(差模辐射)以及与其相连的电缆产生的辐射(共模辐射)。

为了提供足够的电磁屏蔽并提高对噪声和串扰的免疫力，如果可用空间允许，最好在 PCB 堆叠中引入至少一个实心接地层。如果由于空间限制而无法保留整个层，则可以将覆盖 PCB 电源组件整个表面的最小区域限制在最小范围内。

元件放置

最先放置在 PCB 上的组件是那些承载大电流的组件，因此它们需要最宽的走线。

组成电源PCB 的组件应尽可能靠近彼此放置，并应适当定位以减少走线长度，同时牢记相关走线必须尽可能短。

由于走线长度的限制，IC 转换器还必须尽可能靠近其提供电源线的设备。

在放置元件时还必须考虑散热问题，优先考虑电源设备散热充分且最佳的位置。建议从电源的重要部件开始，例如转换器集成电路，然后依次向下放置到输入电容器和电感器，然后是输出电容器。

高开关电流穿过的环路(即具有高 di/dt 值的环路)必须尽可能窄且紧凑，以减少可能导致电压峰值的分布电感。一个好的经验法则是让电流分布和返回路径彼此重叠或相邻，以尽量减少形成的环路面积并减少电磁干扰的产生。

模拟控制元件应放在最后，因为它们节省空间，而且需要较细的走线。处理它们的一种方法是按功能创建子组，然后按组链接它们。

所有大部件，如MOSFET、整流器、电解电容器、电感器和连接器，都必须放置在电路板的顶部，以免在焊接过程中掉落或移动。电路板的底部必须仅包含最小的部件，这些部件通过表面张力附着在电路板上，并且在机器焊接操作期间不会移动。

旁路电容器，也称为去耦电容器，用于保护最精密的元件，例如 IC 和逻辑器件，在这些元件中，轻微的振荡可能会被误认为是逻辑状态的变化。这些电容器必须接地，并尽可能靠近 IC 的电源端口。

散热

由于所有电源电路都会产生热量，因此电源 PCB 的设计通常需要具备适当的热管理功能。要遵循的第一条规则是使连接尽可能短且直，同时将发热元件(IC 稳压器、MOSFET 等)与热敏感元件分开。

然后，考虑到这种金属的高导热性，我们可能会考虑更广泛地使用铜区域来提供散热区域。这些覆铜部分将有助于更均匀地分配热量，将热量从热点转移到传热更好的位置，最终实现更好的散热。

在最热的组件下方使用热通孔和实心铜区域是另一种快速将热量从这些组件中散发出去的有效方法。目标是防止电路板上形成热点，让热量快速消散，而不会损坏最关键的组件。

如果布局不足以确保良好的热管理，可以在电源组件上使用散热器，并最终引入主动冷却解决方案，例如强制通风。这些选项完全取决于应用，请记住，在某些情况下，出于可靠性和噪音控制的原因，无风扇电源通常是首选。