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電源模塊PCB設計

電源模塊的PCB設計

電源電路是一個電子產品的重要組成部分,電源電路設計的好壞,直接牽連產品性能的好壞。我們電子產品的電源電路主要有線性電源和高頻開關電源。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

線性電源功率器件工作在線性狀態,如我們常用的穩壓芯片LM7805、LM317、SPX1117等。下圖一是LM7805穩壓電源電路原理圖。

圖一 線性電源原理圖

從圖上可知,線性電源有整流、濾波、穩壓、儲能等功能元件組成,同時,一般用的線性電源為串聯穩壓電源,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。我們為什么要講電流,是因為PCB設計時,每條線的寬度不是隨便設的,是要根據原理圖里元件節點間的電流大小來確定的(請查《PCB設計銅鉑厚度、線寬和電流關系表》)。電流大小、電流流向要搞清楚,做板才恰到好處。

PCB設計時,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、濾波后才是穩壓、穩壓后才是儲能電容、流經電容后才給后面的電路用電。圖二是上面原理圖的PCB圖,兩個圖相似。左圖和右圖就是走線有點不一樣,左圖的電源經整流后直接就到了穩壓芯片的輸入腳了,然后才是穩壓電容,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。

圖二 線性電源PCB圖

設計線性電源PCB時還應注意,線性電源的功率穩壓芯片的散熱問題,熱量是怎么來的,若穩壓芯片前端電壓是10V,輸出端是5V,輸出電流為500mA,那在穩壓芯片上就有5V的電壓降,產生的熱量就為2.5W;如果輸入端電壓是15V,電壓降就是10V,產生的熱量就為5W,因此,我們布板是要根據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,請改用開關電源電路。

高頻開關電源

開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的導通與截止,產生PWM波形,經過電感和續流二極管,利用電磁電轉換的方式調壓。開關電源功率大、效率高、發熱小,我們一般用的電路有:LM2575、MC34063、SP6659等。開關電源理論上是電路兩端功率相等,電壓成反比,電流成反比。

圖三 LM2575開關電源電路原理圖

開關電源PCB設計時,需要注意的地方是:反饋線的引入點、續流二極管是給誰續流。從圖三可以看出,U1導通時,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,有部分電能轉換成磁能,電流逐漸增大,到一定時候,控制電路U1關斷了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,所以叫續流二極管,可以看出,續流二極管是給電感用的,續流的電流I3是從C3的負端出發,經D1,L1后流入C3的正端,這里就相當于抽水機,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,應該是經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設計人員經常忽視的地方,以為同一個網絡,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。圖四是LM2575開關電源PCB圖,大家看看錯的那幅圖是哪里錯了。

圖四 LM2575開關電源PCB圖

我們為什么要詳細講原理圖原理,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,節點網絡的電流大小等,看清楚了原理圖,PCB設計就不成問題了。LM7805和LM2575電路分別代表了線性電源和開關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,只是產品不同,電路板也不同,根據實際情況調整。

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,而每個電子產品都離不開電源及其電路,因此,學通了這兩個電路,其它的也了然于胸了。

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