电源模块PCB设计的原理和技巧

为什么要学习电源电路的设计?

电源电路是一个电子产品的重要组成部分，电源电路设计的好坏，直接牵连产品性能的好坏。

电源电路的分类

我们电子产品的电源电路主要有线性电源和高频开关电源。从理论上讲，线性电源是用户需要多少电流，输入端就要提供多少电流;开关电源是用户需要多少功率，输入端就提供多少功率。

线性电源电路原理图举例

线性电源功率器件工作在线性状态，如我们常用的稳压芯片LM7805、LM317、SPX1117等。下图1是LM7805稳压电源电路原理图。

图1. 线性电源原理图

从图上可知，线性电源有整流、滤波、稳压、储能等功能元件组成，同时，一般用的线性电源为串联稳压电源，输出电流等于输入电流，I1=I2+I3，I3是参考端，电流很小，因此I1≈I3。我们为什么要讲电流，是因为PCB设计时，每条线的宽度不是随便设的，是要根据原理图里元件节点间的电流大小来确定的(请查《PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系表》)。电流大小、电流流向要搞清楚，做板才恰到好处。

线性电源PCB图

PCB设计时，元件的布局要紧凑，要让所有的连线尽可能短，要按原理图元件功能关系去布局元件与走线。本电源图里就是先整流、再滤波、滤波后才是稳压、稳压后才是储能电容、流经电容后才给后面的电路用电。

图2是上面原理图的PCB图，两个图相似。左图和右图就是走线有点不一样，左图的电源经整流后直接就到了稳压芯片的输入脚了，然后才是稳压电容，这里电容所起的滤波效果就差了很多，输出也有问题。右图就是比较好的图了。我们不仅要考虑正电源的流向问题，还必须考虑地回流问题，一般来说，正电源线和地回流线要尽可能同进同出，彼此离近点。

图2. 线性电源PCB图

设计线性电源PCB时还应注意，线性电源的功率稳压芯片的散热问题，热量是怎么来的，若稳压芯片前端电压是10V，输出端是5V,输出电流为500mA，那在稳压芯片上就有5V的电压降，产生的热量就为2.5W;如果输入端电压是15V，电压降就是10V，产生的热量就为5W，因此，我们布板是要根据散热功率来留出足够的散热空间或合理的散热片。线性电源一般用在压差比较小，电流比较小的场合，否则，请改用开关电源电路。

高频开关电源电路原理图举例

开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止，产生PWM波形，经过电感和续流二极管，利用电磁电转换的方式调压。开关电源功率大、效率高、发热小，我们一般用的电路有：LM2575、MC34063、SP6659等。开关电源理论上是电路两端功率相等，电压成反比，电流成反比。

图3. LM2575开关电源电路原理图

开关电源PCB图

开关电源PCB设计时，需要注意的地方是:反馈线的引入点、续流二极管是给谁续流。从图3可以看出，U1导通时，电流I2进入电感L1，电感的特性是电流在电感里流过时不能突然产生，也不能突然消失，电流在电感里的变化时有一个时间过程的。在脉冲电流I2流过电感的作用下，有部分电能转换成磁能，电流逐渐增大，到一定时候，控制电路U1关断了I2，由于电感的特性，电流不能突然消失，这时候二极管起作用了，它接替电流I2，所以叫续流二极管，可以看出，续流二极管是给电感用的，续流的电流I3是从C3的负端出发，经D1，L1后流入C3的正端，这里就相当于抽水机，利用电感的能量，把电容C3的电压提高了。

还有就是电压检测的反馈线引入点问题，应该是经过滤波后的地方反馈回去，不然会使输出的电压纹波更大。这两点是我们很多PCB设计人员经常忽视的地方，以为同一个网络，接在那儿不是一样，其实接的地方不一样，性能影响是很大的。图4是LM2575开关电源PCB图，大家看看错的那幅图是哪里错了。

图4. LM2575开关电源PCB图

我们为什么要详细讲原理图原理，因为原理图里包含了许多画PCB的信息，如元件引脚的接入点，节点网络的电流大小等，看清楚了原理图，PCB设计就不成问题了。LM7805和LM2575电路分别代表了线性电源和开关电源的典型布板电路，做PCB时，直接按这两种PCB图布局与布线就行，只是产品不同，电路板也不同，根据实际情况调整。

万变不离其宗，所以的电源电路的原理及布板方式都是如此，而每个电子产品都离不开电源及其电路，因此，学通了这两个电路，其它的也了然于胸了。