PCB电路板设计之电源的重要性

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无疑电源设计是整个电路板PCB设计最重要的一环。电源不稳定，其他啥都别谈。想必不用上尉哥再赘述说它究竟有多么重要了。

在电源设计我们用得最多的场合是，从一个稳定的“高”电压得到一个稳定的“低”电压。这也就是经常说的DC-DC（直流-直流），而直流-直流中用得最多的电源稳压芯片有两种，一种叫LDO（低压差线性稳压器，我们后面说的线性稳压电源，也是指它），另一种叫PWM（脉宽调制开关电源，我们在本文也称它开关电源）。我们常常听到PWM的效率高，但是LDO的响应快，这是为什么呢？别着急，先让我们看看它们的原理。

下面会涉及一些理论知识，但是依然非常浅显易懂，如果你不懂，嘿嘿，得检查一下自己的基础了。

一、线性稳压电源的工作原理

如图是线性稳压电源内部结构的简单示意图。我们的目的是从高电压Vs得到低电压Vo。在图中，Vo经过两个分压电阻分压得到V+，V+被送入放大器（我们把这个放大器叫做误差放大器）的正端，而放大器的负端Vref是电源内部的参考电平（这个参考电平是恒定的）。放大器的输出Va连接到MOSFET的栅极来控制MOSFET的阻抗。Va变大时，MOSFET的阻抗变大;Va变小时，MOSFET的阻抗变小。MOSFET上的压降将是Vs-Vo。

现在我们来看Vo是怎么稳定的，假设Vo变小，那么V+将变小，放大器的输出Va也将变小，这将导致MOSFET的阻抗变小，这样经过同样的电流，MOSFET的压差将变小，于是将Vo上抬来抑制Vo的变小。同理，Vo变大，V+变大，Va变大，MOSFET的阻抗变大，经过同样的电流，MOSFET的压差变大，于是抑制Vo变大。

二、开关电源的工作原理

如上图，为了从高电压Vs得到Vo，开关电源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推动上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1为高，Vg2为低;上MOS管打开时，下MOS管关闭;下MOS管打开时，上MOS管关闭。由此在L左端形成了一定占空比的方波电压，电感L和电容C我们可以看作是低通滤波器，因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压Vo。Vo经过R1、R2分压后送入第一个放大器（误差放大器）的负端V+，误差放大器的输出Va做为第二个放大器（PWM放大器）的正端，PWM放大器的输出Vpwm是一个有一定占空比的方波，经过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来控制MOSFET的开关。

二、开关电源的工作原理

如上图，为了从高电压Vs得到Vo，开关电源采用了用一定占空比的方波Vg1,Vg2推动上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1为高，Vg2为低;上MOS管打开时，下MOS管关闭;下MOS管打开时，上MOS管关闭。由此在L左端形成了一定占空比的方波电压，电感L和电容C我们可以看作是低通滤波器，因此方波电压经过滤波后就得到了滤波后的稳定电压Vo。Vo经过R1、R2分压后送入第一个放大器（误差放大器）的负端V+，误差放大器的输出Va做为第二个放大器（PWM放大器）的正端，PWM放大器的输出Vpwm是一个有一定占空比的方波，经过门逻辑电路处理得到两个反相的方波Vg1、Vg2来控制MOSFET的开关。

误差放大器的正端Vref是一恒定的电压，而PWM放大器的负端Vt是一个三角波信号，一旦Va比三角波大时，Vpwm为高;Va比三角波小时，Vpwm为低，因此Va与三角波的关系，决定了方波信号Vpwm的占空比;Va高，占空比就低，Va低，占空比就高。经过处理,Vg1与Vpwm同相，Vg2与Vpwm反相;最终L左端的方波电压Vp与Vg1相同。如下图

当Vo上升时，V+将上升，Va下降，Vpwm占空比下降，经过们逻辑之后，Vg1的占空比下降，Vg2的占空比上升，Vp占空比下降，这又导致Vo降低，于是Vo的上升将被抑制。反之亦然。

三、线性稳压电源和开关电源的比较

懂得了线性稳压电源和开关电源的工作原理之后，我们就可以明白为什么线性稳压电源有较小的噪声，较快的瞬态响应，但是效率差;而开关电源噪声较大，瞬态响应较慢，但效率高了。

线性稳压电源内部结构简单，反馈环路短，因此噪声小，而且瞬态响应快（当输出电压变化时，补偿快）。但是因为输入和输出的压差全部落在了MOSFET上，所以它的效率低。因此，线性稳压一般用在小电流，对电压精度要求高的应用上。

而开关电源，内部结构复杂，影响输出电压噪声性能的因数很多，且其反馈环路长，因此其噪声性能低于线性稳压电源，且瞬态响应慢。但是根据开关电源的结构，MOSFET处于完全开和完全关两种状态，除了驱动MOSFET，和MOSFET自己内阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了输出（理论上L、C是不耗能量的，尽管实际并非如此，但这些消耗的能量很小）。