目录目录一、选型1.电源芯片选型2.输入电容选型3.电感选型4.续流二极管的选取1. 反向耐压 VRRM2. 电流定额3. 正向压降 VF —— 决定效率和温升4. 反向恢复时间 trr —— 决定开关损耗和 EMI5. 结电容和封装5.输出电容的选取二、电路设计三、PCB绘制要求1. 功率回路最小化最重要2. 接地设计3. 开关节点SW处理4. 散热设计5. 电流能力线宽和铜厚6. 反馈和敏感信号7. 结构相关四、总结前言上文说到在确定了负载需求和电源的拓扑结构后下面就是电源模块关键元器件的选型。说到选型我觉得没有哪些理论比直接给案例来的更生动了下面我就设想一个例子把电源模块的思考选型过程展现出来在以后设计其他电源模块时参照此过程即可。一、选型假设现在有一个负载需要供电其参数为输入电压、电流17V4A额定电压5V额定电流3A,峰值电流4A输出纹波小于50mV负载类型容性环境温度25摄氏度1.电源芯片选型电源芯片的选型我一般的途径是一是直接根据需求在立创商城上筛选合适的芯片二是参考量产项目里常见、供应链稳定的方案三是直接问AI对应的方案。需求是17V降到5V,峰值电流4A,因为电流和压差比较大所以我们选择BUCK拓扑芯片的输入电压范围要包含17V,芯片的输出电流要大于4ABUCK芯片又分为内置开关管芯片和外置开关管芯片两者没有绝对的优劣势内置开关管的芯片输出电流通常较低5A,但外围电路设计简便但其散热性能不理想开关管一旦损坏只能更换整个芯片。外置开关管的芯片输出电流可以做的很大10A以上散热也可以而且维修成本低但外围电路设计复杂占用PCB面积也比较大。综上我们选择内置开关管的芯片。BUCK芯片又分为同步整流芯片和异步整流芯片异步整流的下管是一个续流二极管或肖特基二极管当上管关断时电感电流通过二极管续流。同步整流的下管是一个MOSFET由控制器驱动在上管关断时导通替代二极管续流。异步整流控制简单成本较低适用于对成本比较敏感的场合因为续流二极管的导通压降所以在大电流时损耗比较高。同步整流外围电流设计复杂成本比较高其导通电阻比较少在大电流情况下损耗也比较低。本例为把续流二极管选型讲透而采用异步方案若做真实 4A 产品应优先同步评估同步整流的效率与温升收益。把上述条件在立创商城进行筛选得出TPS5450DDAR这款芯片。2.输入电容选型输入电容的核心作用是储能、滤波和去耦——防止负载需要大电流时外部电源来不及供电导致输入电压跌落同时为芯片就近提供瞬态电流。选型时需重点关注以下几个方面耐压电容的额定电压一般选取输入电压的1.3~1.5倍耐压。原因是DC-DC电源启动电流大易产生二次冲击电压损坏器件。容值容值一般没有固定计算公式以芯片厂商数据手册的推荐值为准先设定一个目标的输入电压纹波值一般取输入电压的1%-5%左右为方便计算此处取400mV,这是输入纹波电流的计算公式这个公式是需要把确定的容值带入公式的手册给出推荐容值4.7uF,那我们就以此值为例ESR_MAX取50MΩ算得纹波电压为281mV,符合我们的要求封装电容的封装封装不是选最小的就行而是在有效容量DC bias、ESL、机械可靠性、工艺成本之间取平衡——电源类电容宁可大一号保容量和寿命信号去耦电容则小一点拿低 ESL。在立创上找出符合描述的电容如上图所示。3.电感选型电感的选型也分几个步骤从感值、饱和电流、温升电流、磁芯材料、封装等方面确定一个合适的电感型号。感值的计算TPS5450芯片手册给出的公式是其中Kind取0.2-0.3最终算得最小电感值在8.8UH左右所以我们取10UH或15UH,大电感带来的是更低的纹波电流更慢的温升但也带来了更大的占板面积更慢的速度响应需要在这些条件中做一些取舍。在此我们选取15UH饱和电流电感的饱和电流要高于负载最大的输出电流芯片的数据手册中描述了电感的等效电流的计算方式但一般我们直接用最大输出电流来作为饱和电流选取的参考所以此案例饱和电流要大于4A.DCR:此参数为电感的直流导通电阻根据欧姆定律可估算出在最大负载电流下电感上面所产生的压降。此参数越小越好。温升电流温升电流必须大于最大输出电流封装与磁芯材料屏蔽Shielded电感 EMI 小非屏蔽便宜但干扰大——电源模块内部空间紧凑优先选屏蔽/一体成型尺寸在允许范围内尽量选大的同感值下 DCR 和 Isat 更好注意自谐振频率 SRF 应远高于开关频率一般 10×f_sw综上感值选取15UH,饱和电流大于4A,温升电流大于4A屏蔽一体成型电感。在立创商城上我们找到了这个型号的电感。4.续流二极管的选取1. 反向耐压 VRRM这是第一硬指标错了直接炸管。Buck 电路中二极管承受的最大反向电压 输入电压VRRM​≥Vin(max)​×1.5例输入 24V最大 28V→ 至少选 40V1.43 倍最好 60V。 Boost 电路更高承受输出电压VRRM​≥Vout​×1.2∼1.52. 电流定额二极管有两个电流参数都要看参数含义选取规则IF(AV)平均正向电流Buck 中 ≈ (1-D)×Iout最坏是占空比最小时一般 IF(AV) ≥ Iout 即可IFSM / IFSM surge浪涌电流上电冲击、短路时靠它按冲击波形和时间查厂家曲线经验规则IF(AV) ≥ 1.2~1.5 × 最大输出电流考虑高温降额。⚠️ 二极管电流是按特定散热条件标定的如引线温度 75℃模块内密闭无风、靠 PCB 散热时要再打 7~8 折。3. 正向压降 VF —— 决定效率和温升PD​VF​×Iavg​开关损耗续流管导通时几乎全程流过电感电流损耗占比大。压降每降 0.1V效率提升很明显3A 时少损耗 0.3W。肖特基二极管VF 0.3~0.5V低压首选≤100V 应用快恢复二极管FRDVF 0.8~1.2V只用于高压场合150V别只看 25℃ 的 VF肖特基高温 VF 会上升125℃ 时 0.1~0.15V且反向漏电流随温度指数增长100℃ 时可能是 25℃ 的 10~50 倍——高温漏电大会造成热失控尤其在 Boost 高压输出场合。4. 反向恢复时间 trr —— 决定开关损耗和 EMI续流二极管从导通切换到关断时要清除存储的少数载流子产生反向恢复电流普通整流管trr 500ns开关频率 20kHz 就严重发热禁止用在开关电源快恢复二极管trr 50~200ns用于 100V 以上场合肖特基理论上无反向恢复只有结电容效应低压开关电源首选开关频率越高trr 影响越大。500kHz 的 Buck 若用慢管开关损耗轻松超过导通损耗。注意肖特基的结电容在高压下也会造成损耗所以100V 以上肖特基优势消失换超快恢复二极管如 UF 系列、MURS 系列。5. 结电容和封装结电容 CJ影响开关损耗和振铃。同样 40V/3A 肖特基不同厂家 CJ 可能差 2~3 倍封装热阻 RθJA / RθJCSMA/SMB/SMC 封装的热阻差别大SMC 散热能力约为 SMA 的 2 倍。3A 以上建议用带铜夹片或底部散热焊盘的封装如 PowerDI、DFN模块应用优先选贴片封装便于回流焊确认封装占板面积和高度是否符合模块结构据上述我们的二极管选VRRM31*1.5, IF4*1.2, 选用肖特基二极管5.输出电容的选取基本参考输入电容的选取方式只不过耐压值和容值可能会有些变化在这就直接参考手册推荐电容值了选取330UF和0.01uF并联的方式。二、电路设计其中输出电压的是由两个反馈电阻来确定的我们需要5V,则根据公式取VOUT为5V,R1为10K则R2为3.16K.按照上述选型并参照上述设计设计出自己的电源模块出来。三、PCB绘制要求电源模块 PCB 布局的核心就一句话让大电流环路最小、让敏感信号远离干扰、让热量走得出去。具体要求按优先级列1. 功率回路最小化最重要开关电源有两个关键环路环路路径要求热回路hot loop输入电容 → 上管 → 续流管 → 输入电容di/dt 极大必须最小面积输出回路电感 → 输出电容 → 地di/dt 小些但也要紧凑具体做法输入陶瓷电容100nF~10µF紧贴芯片的 VIN 和 GND 引脚这是去耦第一优先级大容量电解/钽电容可稍远但热回路里的高频陶瓷电容必须在 1~2mm 内输入电容的接地端直接打到功率地平面不要绕线续流二极管紧贴 SW 节点和地形成紧凑换流回路热回路每增大 1cm²开关振铃和 EMI 辐射明显上升甚至可能误触发芯片。2. 接地设计功率地PGND承载大电流走线短而粗≥1mm/1A用完整平面更好模拟地AGND反馈分压、使能、软启动等信号的地单独接回芯片 AGND 引脚PGND 和 AGND单点连接通常在芯片内部已连接外部只通过芯片汇接反馈分压电阻紧靠芯片 FB 引脚分压地直接接 AGND不要接输出端大电流地避免负载调整率误差3. 开关节点SW处理SW 节点是 dv/dt 最高的地方几 ns 内跳变几十伏是 EMI 和干扰的源头SW 铜皮够用即可不要大面积铺大铜皮 大天线SW 节点远离反馈走线、使能、晶振、MCU 等敏感信号间距 ≥ 3~5mm禁止在 SW 节点下方走任何信号线多层板其正下方层保持完整地平面隔离电感到 SW 节点的连线短而粗但电感本体可适当远离芯片电感本身是屏蔽的4. 散热设计芯片散热焊盘EPAD必须打多个过孔到背面地平面阵列式 4~9 个 Ø0.3mm 过孔用于热传导续流二极管、电感也是热源预留铜皮散热面积二极管正极铜皮 ≥ 200mm²自然对流约 1W 散热或按热阻估算Tj​Ta​P×RθJA​多层板的内层地平面完整不分割兼作散热层模块如果有外壳/底板用导热垫或导热胶接触主要发热器件5. 电流能力线宽和铜厚经验值1oz 铜温升 10℃电流外层线宽内层线宽1A0.5~0.8mm1.2mm3A2.0mm3.5mm5A4.0mm6.5mm大电流路径优先用平面而非走线顶层铺铜 过孔阵列到底层平面过孔载流Ø0.3mm 过孔约 1~1.5A大电流换层用 3~5 个过孔并联电流路径过孔会引起电压降和发热避免一串过孔传大电流6. 反馈和敏感信号FB 分压电阻上阻靠近输出端取样Kelvin 取样避开电感后大电流路径的压降下阻靠近芯片FB 走线尽量短不穿过 SW 节点或电感下方补偿网络COMP元件紧贴芯片对应引脚使能、软启动、PGOOD 等走线远离 SW 节点需要的话 FB 走线用地线包夹guard trace7. 结构相关板边 5mm 内不走大电流路径——不是硬性规定但靠近安装孔、连接器的器件要考虑板弯应力MLCC 裂纹风险选软端头电解电容远离发热器件寿命对温度极敏感温度每升 10℃ 寿命减半留出测试点VIN、VOUT、SW、FB、GND丝印标注极性、位号、版本号四、总结这篇只解决“选型”。下一步我不急着写长文先做一轮问题征集你把手头电源的输入电压、输出电压/电流、纹波要求、板子空间、成本限制发我我挑 3 个最典型的在下一篇公开算一遍选型过程。联系方式在评论区置顶也欢迎直接私信。本人是一名工作6年的硬件工程师做过消费电子类的产品、军工类、工控类的产品、现在在做机器人有关的硬件工程师想业余时间写点文章把自己的硬件经验分享给大家毕竟自己就是这么一步一步踩坑过来的如果觉得文章不错可以转发评论这将是我最大的鼓励。如果您有电子硬件方面的需求也可以找我硬件产品可以一站式搞定。联系方式V信我已经评论区置顶。