电源设计 - 方案确定

电源设计 - 方案确定

电源设计是电子工程中的核心环节之一，涉及功能、性能、成本和空间等多方面需求。本文详细介绍了电源设计的基本考虑因素、常见电源类型及其特点，并提供了具体的选型和布局布线建议，对于从事电源设计的工程师具有重要参考价值。

电源设计需考虑的需求

在进行电源设计时，需要综合考虑以下几个关键需求：

• 功能：包括输入电压、电流的变动范围，输出电压、电流等参数，以及总体的功率指标和系统最大转换效率。
• 性能：关注输出电压上的纹波大小、带负载的能力、效率、发热程度等关键指标。
• 成本：需要全面评估系统综合成本，包括核心器件与外围器件（如电感、电容、MOS管驱动等）的选择。
• 空间：要考虑实际应用中的空间尺寸限制、摆放位置、散热方案以及可能的电磁干扰问题。

如何选择一款电源方案

常见的电源类型

电源方案的选择主要取决于具体的应用场景和需求。常见的电源类型包括：

• 线性稳压
• 三端稳压器
• 低压差线性稳压（LDO）
• 开关稳压
• 非隔离型：如降压型（Buck）、升压型（Boost）、升降压型（Buck-Boost）、双级反相升降压型（Ćuk）、双级正相升降压型（SEPIC，ZETA）
• 隔离型：如正激、反激
• 电源IC：包括多路输出和充电IC等

线性稳压与开关稳压的参数对比

线性与开关稳压的直观区别

将输出电压类比为从水龙头的出水量，线性稳压是需要出多少水就把水龙头开多大；而对开关稳压来说，水龙头只能有开和关两个状态，所以必须快速开关，通过改变占空比来控制出水量。

线性稳压由工作在线性状态的三极管构成可变电阻对负载进行恒流控制，得到稳定的电压输出，这种方式结构简单、噪声抑制度很高（达到 60dB 也就是 1000 倍以上），但一般效率比较低，要满足输入电压高于输出电压一定的压差才能够稳压，只能做降压变换。线性稳压电路简单、纹波小，对输入端的毛刺抑制度（PSRR）高，但为了限制输出电压，而把多余的能量转化为热量。

开关稳压是利用感性元件和容性元件可以储存能量的特点，把能量分段打包传递。这些打包的能量或者储存在电感的磁场中，或者储存在电容的电场中。开关控制保证每个分段只传递负载需要的能量，所以效率相对高。开关稳压的好处是能够降压、升压、反压，输入电压的范围可以很宽，效率可以做到很高（有的能达到 95% 以上），缺点是外围电路比较复杂，外围元器件的选型比较敏感，另外高频的开关信号会在电压输出上带来较大的干扰、纹波。

开关稳压与线性稳压的组合

基于开关稳压器和线性稳压器的优缺点，如果将它们组合使用（即先过开关稳压，再过线性稳压），就可在降低输出电压纹波的同时，也提高效率。

根据输入和输出电压来选择

• 当 (V_{in}>V_{out}) 时：

• 压差不大、负载电流小、要求低噪声 —— LDO

• 压差大、负载电流大、噪声不是特别敏感 —— 开关 Buck

• 负载电流小、噪声不敏感、要求效率高 —— 电荷泵

• 当 (V_{in}<V_{out}) 时：

• 小功率 —— 电荷泵

• 压差大、负载电流大、噪声不是特别敏感 —— 开关 Boost

• 当 (V_{in})变化范围大，可能大于或小于(V_{out})时：

• 小功率 —— 电荷泵

• 负载电流大、噪声不是特别敏感 —— 开关 Buck-Boost

• 如果需要隔离：

• 选择隔离拓扑结构如 flyback、forward、push-pull、全桥等。

元器件选型

在进行元器件选型时，需要综合考虑以下因素：

• 功能：是否满足输入／输出电压及电流要求
• 性能：尽可能低的纹波、噪声，尽可能高的转换效率
• 价格：整体系统成本
• 供货渠道：是否容易购买

可以使用电源芯片厂提供的工具辅助选型，例如TI 参考设计。

PCB 的布局布线

对于不同的电源类型，PCB布局布线的重点也有所不同：

• 对 LDO 而言，发热是影响性能和稳定性的重要因素，因此在布局时需要考虑散热。
• 对 DC-DC 而言，需要重点考虑大电流的路径，避免产生较大纹波，同时要确保反馈引脚不受干扰。通常可以参考数据手册提供的布局建议，例如：