开关电源和线性稳压电源 PCB 设计：原理剖析与实操指南

在当今的电子产品领域中，电源模块犹如整个系统的 “能量心脏”，它承担着将不稳定的电能精准转化为设备所需稳定电力的重任。而 PCB 设计则是为这个 “心脏” 精心打造一个高效、稳定的 “工作环境”。若 PCB 设计不合理，可能会导致设备供电不稳定，频繁出现死机现象，还可能产生电磁干扰，严重影响设备的整体性能。本文将结合实际操作细节，全面深入地探讨开关电源和线性稳压电源（LDO）的 PCB 设计，从基础原理到关键要点，助力新手轻松掌握相关知识。

一、深入理解两种核心电源：开关电源与 LDO

要做好 PCB 设计，首先需要透彻了解这两种电源的 “工作逻辑”。由于它们的特性存在差异，设计重点也各不相同。

1.开关电源：高效的 “电能转换器”

开关电源是众多设备的 “主力电源”，广泛应用于路由器、小家电等设备的供电模块中。它不仅能够实现直流电压之间的转换（DC - DC），还具备启动、过流 / 过压保护、噪声滤波等多种功能。其核心工作原理是通过 “快速开关” 来稳定电压。

它的工作流程可以形象地比喻为 “智能水龙头调节”。在输出端，由两个电阻（R1、R2）组成 “监测器”，实时对输出电压进行检测。当检测到电压偏高时，会将 “电压异常信号” 传递给 “比较放大器”，然后通过 “脉宽调制电路（PWM）” 和 “驱动电路”，使功率器件的导通时间缩短，就像关小水龙头一样；若电压偏低，则延长导通时间，如同开大水龙头。通过这种动态调整机制，能够确保输出电压始终稳定在目标值。

该图直观展示了开关电源的基本构成，有助于读者理解 “监测器”“PWM 电路” 等部件的位置和连接关系。

2.线性稳压电源（LDO）：安静的 “电压减压阀”

LDO 全称为 “低压差线性稳压器”，其功能相对单一，只能将高电压降低到低电压，例如将 5V 转换为 3.3V，不具备升压功能。它的显著优势在于 “安静稳定”，输出电压几乎没有波动（纹波小），电路结构简单，成本较低，非常适合为对供电稳定性要求较高的小电流设备供电，如传感器、单片机等。

它的工作逻辑十分直接，通过内部的晶体管或 FET，如同 “削苹果” 一般，从输入电压中减去多余的部分，直接输出稳定的低电压，无需进行复杂的 “开关” 动作，因此在工作时产生的干扰更少。

二、开关电源 PCB 设计：关键要点不容忽视

开关电源的 PCB 设计核心目标是 “减少干扰、降低损耗”，尤其要严格遵循芯片手册（datasheet）的建议。以下结合具体规则进行详细说明。

1.查阅手册，按推荐布局布线

在进行设计之前，务必下载开关电源主芯片的 datasheet，手册中会明确标注推荐的布局和布线方式，这是避免设计失误的关键所在。以常用的 TPS54550 芯片为例，其布线规则具有代表性，类似的 TPS54610 芯片也可参考这套规则。

该图展示了 TPS54550 芯片的 PCB 布局示例，让读者清晰了解输入电容、电感、接地等部件的摆放和连接要求。

2.确保主通路清晰，以核心元件为中心布局

输入和输出的 “主电流通道” 需要进行清晰规划，预留出铺铜和打过孔的空间，避免线路绕远。布局时应以开关电源的核心元器件，如主芯片、电感为中心，其他元件围绕其摆放。同时，要注意电源滤波器的输入端和输出端应尽量远离，防止输入端的噪声 “窜” 到输出端，影响电压稳定性。

结合图中 “输入 28V”“DGND” 的标注，可直观展示主通路的布局和滤波器的位置关系。

3.布局紧凑，减少引线和过孔

开关电源的元件应采用 “紧凑排列” 方式，推荐使用 “一字型布局”，使元件整齐、均匀地分布在 PCB 上。这样做的目的是缩短元件之间的引线长度，减少过孔的使用。因为引线越长、过孔越多，电流损耗和干扰风险就越大。特别是关键的滤波电容，必须严格按照 datasheet 的要求放置，不得随意改动位置。

通过图中 “输出 1:4V”“输入 5V” 的标注，展示了紧凑的一字型布局以及滤波电容的合理摆放方式。

4.大电流引线 “加粗铺铜”

开关电源中的大电流线路，如公共地线、电源输入 / 输出线，最好采用 “铺铜” 的方式处理；若无法铺铜，也应尽量加大线宽。这样可以降低线路电阻，减少电压损耗，还能避免因寄生耦合产生的 “自激” 问题（自激会导致电压波动）。对于模块内部的普通信号互连线，线宽一般要加粗到 10mil 以上（但不能比芯片引脚宽，以免出现焊接问题）。

该图展示了大电流引线的铺铜 / 加粗处理方式，让读者清楚线宽和铺铜的实际效果。

5.特殊引脚的 “精细化处理”

开关电源有几个关键引脚，处理不当容易引入干扰，需要重点关注。

◆SENSE 引脚（采样引脚）：负责检测输出电压，布线时要远离干扰源和大电流平面，不能直接连到开关电源芯片管脚上，一般用 0.5mm 宽的线，连接到输出滤波电容的后面，确保采样信号准确。

◆GATE 引脚（驱动引脚）：控制功率器件的开关，要远离干扰源，引线既要短又要粗，减少信号延迟和干扰。

◆INTVCC 引脚（内部供电引脚）：它的滤波电容很关键，能为 GATE 引脚提供快速波动的电流，必须紧贴芯片放置，否则会影响电路正常工作。

在“SENSE 引脚（采样引脚）” 的说明之后，展示 SENSE 线的布线路径和连接位置；

在 “INTVCC 引脚（内部供电引脚）” 的说明之后，通过图中电容（如 C4225）的摆放，体现 “紧贴芯片” 的要求。

6.散热与抗干扰：避开信号线，垂直放电感

开关电源芯片和电感下面，不能布任何信号线，否则会被电源工作时产生的干扰影响；芯片的散热焊盘要打散热地过孔，并且开窗（露出铜皮），保证热量能顺利传导到地平面，避免芯片过热损坏。

如果是多路输出的开关电源，相邻的电感要 “垂直放置”，不能平行放 —— 平行放置的电感会相互干扰，导致输出电压不稳定。

7.合理铺铜，预留隔热路径

铺铜是为了增大电流承载能力，但不能一味追求 “全连接”—— 如果没有预留隔热路径，焊接时会出现立片、堆锡、虚焊等问题，反而影响电路可靠性。铺铜时要根据电流需求合理规划，确保焊接时热量能均匀传导。在 “反而影响电路可靠性” 之后，展示铺铜时因未预留隔热路径导致的焊接问题，提醒读者避开此类错误。

三、LDO 的 PCB 设计：简单但细节决定成败

LDO 电路相对简单，但要保证其稳定输出，PCB 设计仍有两个关键要点（以 5V 转 3.3V 为例）。

1.滤波电容：遵循 “先大后小” 原则摆放

LDO 的输入和输出端都需要滤波电容，摆放时应遵循 “先大后小” 的顺序，即先放置容量大的电容，再放置小容量电容，并且要紧贴 LDO 芯片的输入、输出管脚。这样可以快速滤除不同频率的噪声，使输入和输出电压更加稳定。

放在 “让输入和输出电压更稳定” 之后，结合图中 “输出 3.3V”“GND” 的标注，展示滤波电容的摆放顺序和位置。

2.地线处理：宽铜皮 + 多过孔，输入输出地连通

LDO 的 GND 管脚（地线引脚）要保证铜皮足够宽，过孔数量也要充足（和输入、输出端的过孔数量差不多），这样能降低接地电阻，减少接地噪声。同时，输入端的地和输出端的地要尽量连接在一起，形成统一的接地平面，避免因接地不一致导致电压波动。

放在 “避免因接地不一致导致电压波动” 之后，展示 GND 管脚的铜皮宽度、过孔分布，以及输入输出地的连接方式。

总结

电源模块的 PCB 设计核心在于 “依据原理，注重细节”。开关电源需要重点关注干扰控制、电流损耗和散热问题；LDO 则要着重注意滤波和接地处理。只要严格遵循芯片手册的要求，精心做好布局、布线、铺铜等细节工作，就能确保电源模块稳定运行，为整个设备提供可靠的 “能量支持”。