电源 PCB 布局中的常见错误及避免方式

电源的物理布局对于电源能否良好工作起着至关重要的作用，不良的 PCB 布局可能会使原本优秀的设计无法正常工作。以下将介绍 DC/DC 和 AC/DC 电源中一些常见的 PCB 布局错误、可能出现的异常现象、根本原因以及优化布局的方法和相关技巧。

1. 常见错误一：功率器件散热不良

• 异常现象
  • 功率器件温度过高，可能导致器件性能下降，甚至损坏。例如，MOSFET 的导通电阻会随温度升高而增大，进一步增加功耗，形成恶性循环。长期高温还可能影响器件的寿命，降低系统的可靠性。
• 根本原因
  • PCB 布局中没有为功率器件提供足够的散热路径。功率器件在工作时会产生热量，如果周围的铜箔面积过小或没有与散热片良好连接，热量无法及时散发出去。此外，布局过于紧凑，导致空气流通不畅，也会影响散热效果。
• 优化布局方法
  • 增加功率器件与 PCB 板的接触面积，可通过大面积的覆铜来实现，如在功率器件的焊盘下方及周围铺设大面积的接地铜箔。合理设计散热片与功率器件的安装方式，确保热量能够有效地从器件传递到散热片上。同时，在布局时要考虑空气的流通路径，避免将功率器件放置在封闭或狭小的空间内，保证有足够的空间让空气流动带走热量。
• 技巧和窍门
  • 使用热阻较低的散热材料，如导热硅胶垫，可提高功率器件与散热片之间的热传导效率。在布局时，可以参考功率器件的热仿真结果，优化散热路径的设计。对于多层 PCB 板，可以利用内层的铜箔作为散热层，进一步提高散热能力。

2. 常见错误二：输入输出电容布局不合理

• 异常现象
  • 电源输出电压纹波增大，可能影响负载的正常工作。例如，对于一些对电源纯净度要求较高的电子设备，如音频放大器，过大的电压纹波可能会导致音频信号失真。此外，不合理的电容布局还可能导致电源的动态响应性能下降，在负载变化时无法及时调整输出电压。
• 根本原因
  • 输入输出电容与功率器件之间的连接路径过长或电感过大。在高频开关电源中，电流的变化速度很快，过长的连接路径会产生较大的寄生电感，根据电感的特性，会阻碍电流的快速变化，从而影响电容对电压的平滑作用。同时，电容的位置如果远离功率器件，在功率器件开关瞬间，电容无法及时提供或吸收电荷，导致电压波动增大。
• 优化布局方法
  • 将输入输出电容尽可能靠近功率器件放置，缩短它们之间的连接路径，减小寄生电感。对于大容量的电解电容，可以采用多个小容量电容并联的方式，既能满足电容容量要求，又能降低等效串联电感（ESL）。在布局时，要注意电容的极性连接正确，避免因极性错误导致电容失效或损坏。
• 技巧和窍门
  • 选择低 ESL 的电容，如多层陶瓷电容（MLCC），其具有较好的高频特性，能够更有效地平滑电压纹波。在 PCB 布局中，可以使用过孔将电容的不同层连接起来，形成一个低电感的电流回路，提高电容的滤波效果。

3. 常见错误三：高频信号走线处理不当

• 异常现象
  • 产生严重的电磁干扰（EMI）问题，影响周围电子设备的正常工作。例如，可能导致附近的无线通信设备（如手机、蓝牙设备等）出现信号干扰，通信质量下降。同时，过高的 EMI 辐射也可能使电源本身无法通过电磁兼容性（EMC）测试，无法在市场上销售和使用。
• 根本原因
  • 高频信号走线没有进行合理的阻抗匹配和屏蔽处理。在高频情况下，信号走线的特性阻抗如果与源端和负载端不匹配，会产生反射现象，导致信号失真并产生辐射干扰。此外，高频信号走线如果没有与其他信号线或地平面保持足够的距离，容易发生电磁耦合，将干扰传播到其他线路上。
• 优化布局方法
  • 对于高频信号走线，要进行阻抗匹配设计，可通过调整走线宽度、长度以及添加终端匹配电阻等方式来实现。将高频信号走线与其他信号线和地平面保持一定的距离，如至少 3 倍线宽的间距，减少电磁耦合。同时，可以采用屏蔽措施，如在高频信号走线上方或下方铺设接地层，或者使用屏蔽线来传输高频信号，将干扰限制在一定范围内。
• 技巧和窍门
  • 在 PCB 设计软件中，可以使用电磁场仿真工具对高频信号走线的 EMI 性能进行分析和优化。在布局时，尽量避免高频信号走线的锐角转弯，采用圆角或斜角过渡，以减少信号反射。对于多层 PCB 板，合理安排高频信号层和地层的位置，如将高频信号层夹在地层之间，形成良好的屏蔽效果。

4. 常见错误四：接地设计不合理

• 异常现象
  • 电源系统出现地电位波动，导致信号传输错误或威廉希尔官方网站 工作不稳定。例如，不同威廉希尔官方网站 模块之间的地电位差异可能会使信号在传输过程中产生偏移，影响数字威廉希尔官方网站 的逻辑判断，导致系统误动作。此外，不合理的接地还可能引入外界的干扰信号，进一步恶化系统性能。
• 根本原因
  • 接地方式选择不当或接地路径混乱。单点接地、多点接地等不同接地方式适用于不同的威廉希尔官方网站 场景，如果选择错误，会导致地电流回流不畅，产生地电位差。同时，在 PCB 布局中，如果没有将模拟地和数字地分开处理，或者没有正确连接它们，会使数字信号中的高频噪声耦合到模拟威廉希尔官方网站 中，影响模拟信号的质量。
• 优化布局方法
  • 根据威廉希尔官方网站 的频率特性和工作要求选择合适的接地方式。对于低频威廉希尔官方网站 ，单点接地可以有效减少地电位波动；对于高频威廉希尔官方网站 ，多点接地更有利于地电流的快速回流。在布局时，要将模拟地和数字地分开，避免它们在 PCB 板上形成大面积的共地平面，然后在合适的位置通过磁珠或 0 欧姆电阻将它们连接在一起，实现单点连接，减少数字噪声对模拟威廉希尔官方网站 的干扰。
• 技巧和窍门
  • 在接地路径上添加去耦电容，如在每个集成威廉希尔官方网站 的电源引脚和地引脚之间添加 0.1μF 的陶瓷电容，可减少电源线上的噪声干扰，稳定地电位。对于对噪声敏感的模拟威廉希尔官方网站 部分，可以采用独立的接地层，并将其与其他接地层通过法拉第屏蔽等方式隔离，提高抗干扰能力。

5. 总结

在电源 PCB 布局设计中，要充分认识到布局对电源性能的重要性，避免上述常见错误的发生。通过合理的布局优化、元件选型和接地设计等措施，可以提高电源的可靠性、稳定性和 EMI 性能，确保电源在各种应用场景下都能正常工作，满足系统的需求。同时，不断积累和总结经验，关注行业内的最新技术和设计方法，有助于设计出更优秀的电源产品。

审核编辑 黄宇