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作為設(shè)計(jì) PCB 的電氣工程師，您將面臨的最關(guān)鍵的決策之一是選擇正確的電源解決方案。您應(yīng)該使用低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器還是開關(guān)穩(wěn)壓器？這種選擇會(huì)影響設(shè)計(jì)的效率、噪聲、成本和整體性能。

快速回答：LDO 與開關(guān)穩(wěn)壓器 – 您應(yīng)該選擇哪個(gè)？

快速?zèng)Q策：如果您的 PCB 設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮低噪聲、簡(jiǎn)單性和小壓降（例如，為噪聲敏感的模擬電路供電），請(qǐng)使用 LDO 穩(wěn)壓器。如果效率和功率處理能力至關(guān)重要，尤其是對(duì)于電池供電或大電流應(yīng)用，請(qǐng)選擇開關(guān)穩(wěn)壓器，但要準(zhǔn)備好解決電磁干擾 （EMI） 問題。深入研究下面的詳細(xì)部分，以更深入地了解“LDO 穩(wěn)壓器效率 PCB”挑戰(zhàn)等。

為什么電源選擇在 PCB 設(shè)計(jì)中很重要

電源設(shè)計(jì)是任何 PCB 的支柱。選擇不當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器會(huì)導(dǎo)致效率低下、過熱，甚至因噪聲或 EMI 而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。LDO 和開關(guān)穩(wěn)壓器是電壓調(diào)節(jié)的兩種主要選擇，每種選擇都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和權(quán)衡。作為工程師，我們經(jīng)常面臨空間、成本和性能要求等限制。了解“LDO 與開關(guān)穩(wěn)壓器 PCB 設(shè)計(jì)”的細(xì)微差別對(duì)于滿足這些需求至關(guān)重要。本指南將引導(dǎo)您了解技術(shù)細(xì)節(jié)、實(shí)用技巧和實(shí)際注意事項(xiàng)，以確保您的電源符合您的項(xiàng)目需求。

什么是 LDO 和開關(guān)穩(wěn)壓器？技術(shù)概述

低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器

LDO 穩(wěn)壓器是一種線性穩(wěn)壓器，可保持穩(wěn)定的輸出電壓，輸入和輸出電壓之間的差異（壓差）非常小，通常低至 0.1V 至 0.5V。LDO 易于實(shí)現(xiàn)，需要最少的外部元件 — 通常只需輸入和輸出電容器。它們的工作原理是將多余的電壓以熱量的形式耗散，這使得它們?cè)诖箅娏骰虼髩航迪碌男瘦^低，但非常適合低噪聲應(yīng)用。

開關(guān)穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器，通常稱為 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（降壓、升壓或降壓-升壓），使用開關(guān)機(jī)制將輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出。它們通過快速打開和關(guān)閉晶體管來工作，將能量存儲(chǔ)在電感器或電容器中，從而產(chǎn)生更高的效率——與 LDO 相比，效率通常為 80-95%。然而，這種開關(guān)動(dòng)作會(huì)引入噪聲和 EMI，需要仔細(xì)的 PCB 設(shè)計(jì)以及電感器和濾波器等附加組件。

LDO 與開關(guān)穩(wěn)壓器的比較：PCB 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素

讓我們通過比較它們?cè)谛?、噪聲、尺寸、成本和熱管理方面的性能，深入了解“LDO 與開關(guān)穩(wěn)壓器 PCB 設(shè)計(jì)”的關(guān)鍵方面。

1. 效率：LDO 穩(wěn)壓器效率 PCB 挑戰(zhàn)

LDO 效率：LDO 本質(zhì)上效率低下，因?yàn)樗鼈儗⒍嘤嗟碾妷阂詿崃康男问胶纳?。效率可以?jì)算為 （Vout / Vin） × 100%。例如，如果 Vin = 5V 且 Vout = 3.3V，則效率僅為 66%。在更高的電流（例如 1A）下，這種低效率會(huì)導(dǎo)致顯著的功率損失（在本例中為 1.7W），需要散熱器或更大的 PCB 面積進(jìn)行散熱。

開關(guān)穩(wěn)壓器效率：開關(guān)穩(wěn)壓器在這方面大放異彩，通?？梢赃_(dá)到 85-95% 的效率。對(duì)于相同的 5V 至 3.3V 轉(zhuǎn)換 1A，開關(guān)穩(wěn)壓器可能僅浪費(fèi) 0.3W，從而減少了熱應(yīng)力并延長了便攜式設(shè)備的電池壽命。

工程師的要點(diǎn)：如果優(yōu)先考慮電源效率（例如，在電池供電的 IoT 設(shè)備中），則開關(guān)穩(wěn)壓器是更好的選擇。對(duì)于音頻放大器等低功耗、噪聲敏感型設(shè)計(jì)，盡管存在“LDO 穩(wěn)壓器效率 PCB”挑戰(zhàn)，但還是優(yōu)先考慮 LDO。

2. 噪聲和 EMI：開關(guān)穩(wěn)壓器 EMI 考慮因素

LDO 噪聲：LDO 產(chǎn)生的噪聲非常小，因?yàn)樗鼈儫o需開關(guān)即可線性運(yùn)行。它們的輸出紋波通常在微伏范圍內(nèi)（例如，高性能 LDO 為 10 μVrms），使其成為模擬電路、RF 模塊或精密傳感器的理想選擇。

開關(guān)穩(wěn)壓器 EMI：由于高頻開關(guān)（通常為 100 kHz 至幾 MHz），開關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生顯著的 EMI。這可能會(huì)干擾附近的電路，尤其是在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中?！伴_關(guān)穩(wěn)壓器 EMI 注意事項(xiàng)”包括使用適當(dāng)?shù)钠帘?、接地層和濾波器。例如，在輸出附近放置鐵氧體磁珠和電容器可以將紋波從 50 mVpp 降低到 10 mVpp 以下。

工程師的要點(diǎn)：如果您的 PCB 包含噪聲敏感元件，則 LDO 更安全。對(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓器，在布局期間花時(shí)間討論 EMI 緩解策略（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。

3. 尺寸和組件數(shù)量

LDO 尺寸：LDO 需要的元件更少（通常只有兩個(gè)電容器），從而縮小了 PCB 的占用空間。這種簡(jiǎn)單性對(duì)于可穿戴設(shè)備等空間受限的設(shè)計(jì)來說是一個(gè)福音。

開關(guān)穩(wěn)壓器尺寸：開關(guān)穩(wěn)壓器需要電感器、二極管和額外的電容器，從而增加了占用空間。例如，降壓轉(zhuǎn)換器可能需要一個(gè) 10 μH 電感和多個(gè)陶瓷電容器，占用的空間是 LDO 的 2-3 倍。

工程師的要點(diǎn)：選擇用于緊湊設(shè)計(jì)的 LDO;如果空間不是主要限制因素，而效率更重要，請(qǐng)選擇開關(guān)穩(wěn)壓器。

4. 成本

LDO 成本：LDO 通常更便宜，常見型號(hào)的價(jià)格從 0.50 美元到 2 美元不等。其最少的外部組件使 BOM 成本保持在較低水平。

開關(guān)穩(wěn)壓器成本：開關(guān)穩(wěn)壓器的成本更高（每個(gè) IC 通常為 1 至 5 美元），再加上電感和電容器的費(fèi)用，可能會(huì)使總成本翻倍。

工程師的要點(diǎn)：精打細(xì)算的項(xiàng)目偏愛 LDO，而高性能設(shè)計(jì)可能證明開關(guān)穩(wěn)壓器的成本是合理的。

面向 PCB 工程師的電源選型指南

為您的 PCB 選擇合適的穩(wěn)壓器并不是一個(gè)放之四海而皆準(zhǔn)的決定。請(qǐng)遵循此“電源選擇指南 PCB”框架，使您的選擇與項(xiàng)目要求保持一致。

第 1 步：定義電源要求

首先確定您的輸入電壓 （Vin）、輸出電壓 （Vout） 和電流消耗 （Iout）。例如，使用 12V 電源以 3.3V、500 mA 的電壓為微控制器供電意味著電壓降很大，有利于使用開關(guān)穩(wěn)壓器提高效率。

第 2 步：評(píng)估噪聲敏感度

確定您的電路是否對(duì)噪聲敏感。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 或 RF 電路通常需要清潔電源，因此 LDO 是更安全的選擇。如果噪聲不是一個(gè)問題（例如，數(shù)字邏輯），則開關(guān)穩(wěn)壓器在適當(dāng)?shù)臑V波下工作正常。

第 3 步：評(píng)估效率需求

計(jì)算潛在的功率損耗。當(dāng) Vin = 12V，Vout = 3.3V，Iout = 500 mA 時(shí)，LDO 將以 0.5A = 4.35W ×耗散 （12V - 3.3V） 作為熱量。效率為 90% 的開關(guān)穩(wěn)壓器僅損失約 0.48W 的功率，這對(duì)電池壽命來說是一個(gè)巨大的差異。

第 4 步：考慮 PCB 空間和預(yù)算

檢查可用的電路板空間和成本限制。如果您的設(shè)計(jì)狹窄或預(yù)算緊張，LDO 的簡(jiǎn)單性可能會(huì)超過效率損失。

第 5 步：規(guī)劃 EMI 緩解（如果使用開關(guān)穩(wěn)壓器）

對(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓器，為 EMI 濾波器分配空間并遵循布局最佳實(shí)踐（下文將討論）。如果 EMI 風(fēng)險(xiǎn)很高且緩解措施不可行，請(qǐng)改用 LDO。

LDO 和開關(guān)穩(wěn)壓器的 PCB 布局技巧

LDO 布局技巧

• 將電容器放在附近：將輸入和輸出電容器放置在盡可能靠近 LDO 引腳的位置，以最大限度地降低噪聲。使用低 ESR（例如 0.01 歐姆）的陶瓷電容器以確保穩(wěn)定性。

• 熱管理：確保 LDO 下有足夠的銅面積或過孔進(jìn)行散熱，尤其是在大電流下。對(duì)于 1W 的功耗，2 cm2 的銅焊盤有助于將溫度保持在 85°C 以下。

開關(guān)穩(wěn)壓器布局技巧（EMI Focus）

考慮到“開關(guān)穩(wěn)壓器 EMI 考慮因素”，布局對(duì)于最大限度地減少干擾至關(guān)重要。

• 縮短大電流環(huán)路：保持開關(guān)節(jié)點(diǎn)（電感連接的地方）盡可能短，以減少輻射 EMI。低于 1 cm2 的環(huán)面積是理想的。

• 接地平面：在開關(guān)穩(wěn)壓器下方使用實(shí)心接地層，以提供低阻抗返回路徑。避免在穩(wěn)壓器附近分裂接地層。

• 過濾器組件：在負(fù)載附近放置鐵氧體磁珠和輸出電容器，以抑制高頻噪聲。對(duì)于 1 MHz 的開關(guān)頻率，600 歐姆的鐵氧體磁珠可以將噪聲衰減 20 dB。

常見陷阱以及如何避免它們

LDO 陷阱：低估了散熱。始終計(jì)算功率損耗并驗(yàn)證熱限制。如果耗散超過 0.5W，請(qǐng)使用散熱器。

開關(guān)穩(wěn)壓器陷阱：忽略 EMI。不遵循布局準(zhǔn)則可能會(huì)導(dǎo)致認(rèn)證失敗。使用 EMI 探頭進(jìn)行早期測(cè)試，以確定問題區(qū)域。

為您的 PCB 電源需求做出正確的選擇

為您的 PCB 設(shè)計(jì)選擇 LDO 和開關(guān)穩(wěn)壓器歸根結(jié)底是要平衡效率、噪聲、成本和空間。LDO 是實(shí)現(xiàn)低噪聲、簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的首選，盡管存在“LDO 穩(wěn)壓器效率 PCB”的缺點(diǎn)。開關(guān)穩(wěn)壓器在效率和功率處理方面表現(xiàn)出色，但需要注意“開關(guān)穩(wěn)壓器 EMI 考慮因素”。使用上述“電源選擇指南 PCB”步驟，使您的決策與項(xiàng)目目標(biāo)保持一致。通過了解“LDO 與開關(guān)穩(wěn)壓器 PCB 設(shè)計(jì)”中的權(quán)衡并應(yīng)用最佳實(shí)踐，您將確保為下一個(gè)項(xiàng)目提供穩(wěn)健、可靠的電源解決方案。