电源工程师必看:从需求到验证,避坑式设计流程全总结

01
设计流程概述
  • 从需求分析开始

  • 设计电源时,应首先进行需求分析以确定输入电压范围,确保电源能适应不同输入电压,特别是在电池供电系统中。

  • 同时需明确输出电压和电流需求

  • 考虑应用环境(如工业、消费电子、汽车电子)


  • 选择正确拓扑结构

  • 根据功率需求、效率要求及是否需要隔离,选择合适拓扑(如LLC谐振或全桥拓扑)。

  • 评估最大和最小负载条件。应选用合适的开关器件和变压器。

  • 还需考虑电源电路对敏感电路的影响,合理使用滤波电容和电感。


  • 选择合适元件

  • 选用具有低导通电阻快速开关时间MOSFETIGBT开关器件

  • 采用高饱和电流低磁滞损耗电感器和变压器

  • 选用 ESR 电容 (如陶瓷电容)以降低纹波

  • 选择具备过压、过流和过热保护功能的控制器 IC ,提升系统可靠性。

  • 采用肖特基二极管同步整流技术以提高效率


02
电路设计与布局

  • 电路计算 

  • 设计电路时需计算电路参数(如电感值、电容值)

  • 绘制清晰原理图确保正确连接


  • PCB布局要点

  • PCB布局需考虑走线、散热和电磁干扰等问题,实现合理布局。

  • 应进行测试与调试 ,包括功能测试、效率测试和温升测试,确保设计满足所有要求。

  • 最小化电流环路 以降低电磁干扰(EMI )。

  • 设计隔离区域,物理分隔高压与低压区域以实现更好隔离。

03
接地与信号完整性

  • 接地设计应采用多层 PCB 或独立接地 以降低噪声

  • 去耦电容靠近开关器件放置以减少高频噪声

  • 为确保信号完整性,信号线与电源线应短而粗以降低阻抗和噪声

  • 差分信号 应保持等长与阻抗匹配以抑制共模噪声

  • 使用地平面和电源平面提升电源稳定性并降低****EMI 

04
效率与保护机制

  • 应采用同步整流技术

  •  提升效率,尤其在低压大电流应用中。
  • 集成软启动功能以避免浪涌电流并减轻电源压力。
  • 根据效率与EMI需求选择开关频率(通常为100kHz–1MHz )。
  • 优先考虑热管理
  • 设计电源时,应优先考虑效率和热量管理。应选择高效元件(如低导通电阻的MOSFET),并规划良好的散热路径

  • 必要时使用散热过孔、大面积铜箔、散热片或风扇

  • 对于关键电路,可采用热敏电阻或温度传感器实时监测温度并触发保护机制

  • 大功率应中必须配备风扇和强制风冷以降低系统温度


05
电磁干扰/电磁兼容管理

  • 设计 EMI 滤波器 LC滤波器)以降低辐射干扰

  • 缩短高频路径 并使其远离敏感电路。
  • 采用金属屏蔽保护敏感区域,减少电磁干扰。
  • 调整开关边沿速率以平衡电磁干扰与效率


06
稳定性与保护

  • 稳定性同样是电路设计的关键考量
  • 应保持控制环路稳定,必要时调整补偿网络 以确保负载变化时输出电压稳定
  • 配置完善保护功能 
  • 过流保护(OCP):需设计防止短路或过载损坏,
  • 过压保护(OVP):需配置避免输出电压过高造成损害。

  • 过热保护 (OTP):同样重要,能在温度过高时自动关闭系统防止元件损坏

  • 欠压保护(UVP):也需设置以避免输入电压过低导致系统不稳定。

  • 合理的保护机制可预防意外损坏,TVS二极管可用于防止浪涌损伤


07
设计后验证

  • 完成电路设计后,选择电压电流额定值留有20-30% 余量 元件以获得更高可靠性

  • 设计可靠性 同样需要考量,应针对高温或潮湿等潜在工作环境选用耐用元件,并通过增加冗余设计提升整体可靠性。

  • 开展关键测试

  • 进行负载调整测试 ,确保不同负载条件下输出稳定。
  • 还需执行温度测试 ,评估极端温度下的性能表现和保护功能。
  • 效率测试 用于寻找不同负载下的最佳工作点。

应使用频谱分析仪进行电磁干扰测试 ,确保符合相关标准。