最近，我接触到了一些关于电路板制造的知识，其中电源模块的设计是每个电路板设计中必须面对的问题。对于芯片板，我们经常要求其电源具有较高的电源质量。具体来说，电源稳定性好，抗干扰能力强，纹波小，无尖峰脉冲。特别是对于FPGA对于高速芯片，电源质量直接决定了芯片是否能正常工作，所以在这里PCB总结板中的电源模块。主要分为两部分，一部分是常见的PCB无源滤波电路的一个部分是设计常见的稳压芯片外围电路。这里主要是DC-DC的稳压。
在PCB无源滤波电路常用于板中的电源部分。无源滤波电路基本上由三个常见的电路元件组成：电阻、电容和电感。首先，我们解释了为什么每个元件都有滤波器。
简单地说，滤波器是在频率上划分信号，提取所需频率的信号，并放弃所需频率的信号。这个想法一直贯穿于滤波器电路的设计中。
文章目录
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- 一、常见滤波元件
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- 1.电阻
- 2.电容
- 3.电感
- 二、常用滤波电路
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- 1.C型滤波电路
- 1.倒L型滤波电路
- 1.π型滤波电路
- 三、设计典型的稳压芯片外围电路
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- 1.总体设计
- 2.电感的选择
- 3.输出滤波电容的选择
- 4.选择前馈电容
- 5.吸收二极管的选择
- 6.输入电容的选择
- 4.实际设计中遇到的问题
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一、常见滤波元件
1.电阻
一般来说，电阻的作用是降低电压，抑制电压，但这种抑制是在整个频率空间，所以单独使用电阻通常不能达到分离直流和交流的目的。但有一个电阻，0R电阻在模拟和数字共存电路中起着重要作用。
我们都知道，一个电流从正极出发，最终会回到负极，对于PCB板也是如此，但我们也有一个概念，世界上没有理想的设备，所有的电路和电子设备都会引入电阻、电感、电容等参数。地线也是如此，PCB地不同于传统地球。我们认为传统地球可以无限接收电荷，电位不变，但PCB地面有一定的阻抗。当流经电流不同时，地面电位会发生变化，但一般来说，地面电位的阻抗较小，因此电流引起的地面电位变化也较小。但对于大电流，大电流引起的地电位变化不容忽视，我们的电路以芯片板上的地为参考电压，即使信号不变，参考电压变化，实际上相当于参考电压不变，信号变化，引入噪声。
此外，对于数字电路和模拟电路，由于数字电路信号主要是高频信号，高频信号返回地面，会给数字地面电位带来更多的高频变化，模拟信号一般要求地面电位保持恒定，因此如果简单地共享数字和模拟，则会导致数字信号高频噪声添加到模拟电路基准，导致模拟电路不稳定。如果两地直接断开，则存在浮地现象，容易积累静电电荷。因此，我们经常将两地分开，只连接一点，即单点接地。
在单点接地时，由于我们想隔离数字电路中的高频噪声，0经常用于两地之间R电阻或磁珠连接。然而，磁珠是一种驱动元件，因此在选择合适的磁珠之前，我们应该首先估计数字电路中的噪声频率。
2.电容
通过电工的知识，我们知道理想的电容器是直流信号的截止日期，交流信号是指南，频率越高，电容器阻抗越小，电容器容量越大，相同频率的信号阻抗越小。但在实际使用过程中，没有理想的电容器，所有的电容器都可以被视为电容器 电阻 电感组合，电感导致直流信号，交流信号截止。这导致当电容器两侧的信号频率非常高时，虽然电容器没有阻抗，但等效电感产生的阻抗不容忽视。此时，对于整个电容器，高频信号被抑制。因此，实际电容器具有谐振频率。当信号小于电容器的谐振频率时，电容器的功能更接近电容器。当信号频率大于谐振频率时，电容器的功能更接近电感。因此，在使用电容器时，必须确保电容器两端的信号频率低于谐振频率。
下表是电容值对应的共振频率。具体来说，应根据商家提供的表格进行选择。
| 电容值 | DIP（MHz） | SMT（MHz） |
|---|---|---|
| 1uF | 2.5 | 5 |
| 100nF | 8 | 16 |
| 10nF | 25 | 50 |
| 1nF | 80 | 160 |
| 100pF | 250 | 500 |
| 10pF | 800 | 1600 |
电容器中的电感参数与电容器的包装有关。一般来说，包装越小，电感参数越小，谐振频率越高。所以一般来说，在相同容值的情况下，DIP封装谐振频率低于STM封装谐振频率。另外，电容值越大，电容体积越大，电容的电感系数越大，大电容的截止频率越低，小电容的截止频率越高。电容越大，对交流电的阻抗越低，对交流电的阻抗越小。
因此，这导致了一种现象，当我们需要过滤高频信号时，我们只能选择小电容器，因为大电容器的截止频率较低；当我们需要过滤低频信号时，我们选择大电容器，以减少交流电阻抗，提高过滤效果。
3.电感
电感具有直流和交流的作用。
电感的原理是将电流转化为磁场。根据波纹定律，磁场会抵消电流的变化。因此，谐波变化频率越高，电感阻抗越高。
实际使用的电感也是电感 电容 电阻的组合，所以电感也有谐振频率。正常使用应确保信号频率低于谐振频率。
此外，电感还存在电流饱和，以确保电流低于电感饱和电流。
此外，电感还有一个质量因素Q，由于电感将部分电流转化为磁场，因此电感存在一定的能量损失。一般来说，电感的输入电压和输出电压没有直流阻抗，V1=0.9V0.质量因素Q越高，电感能量损失越低。
电感选择:
一般来说，电感的选择主要取决于几个参数： 电感值：电感值的选择一般直接参考DCDC计算芯片提供的推荐值或理论公式。一般而言，电感的感值越大，纹波越小。
电流：电感一般有温升电流和饱和电流，我们在选择时，应保证电路中的最大峰值电流低于饱和电流，电路中的电流的均方根应低于温升电流。
DC电阻：DC电阻存在于电感中，DC电阻会降低电感的效率，如果对输出效率要求较高，则应选择较低的DC电阻。
电磁干扰：电感将电流转化为磁场。因此，在大电流条件下，磁场强度可能过大，影响其他芯片的正常运行。因此，应根据芯片的使用环境选择是否需要外壳屏蔽的电感元件。
此外，在使用电感元件时，应在电感处反向并联一根二极管，称为续流二极管。续流二极管的作用是，当电感通过的电流发生较大变化时，如突然关闭，电感会产生较大的反向电压，远远大于芯片的耐受电压，容易损坏后电路。因此，为了消除电压，我们通过反向二极管将反向电压输出到电感的输入端，从而减少反向电压对后电路的影响。这种二极管被称为续流二极管。开关频率高，响应特性好，在选择续流二极管时一般采用肖特基二极管。
一般来说在DCDC在电路中，我们经常使用高频电感的贴片功率。
二、常用滤波电路
1.C电路4> 采用C型滤波电路时，就是通过电容将信号中的交流分量通向地，从而使输出信号保留更多的直流分量，一般来说为了提高滤波效果，我们常常采用一大一小两个滤波电容实现较大频率范围内的滤波，例如下图所示的电路： 
上图中的4引脚输出就通过了一个C型滤波电路，从而使3.3V的输出更稳定。如果这里不加220uF的大电容滤波的话，就会导致低频信号没有被过滤，输出电流就会有比较大的电流声。
1.倒L型滤波电路
倒L型滤波电路是将电感和电容组合使用，我们知道电感可以过直流，电容可以过交流，因此通过电感和电容组合使用可以得到一个更为平滑的直流输出。此外当电感流过的电流较大时，可以通过电感后的电容快速补充，将电流稳定下来，
这种倒L型滤波电路的带载能力是比较强的，多用于较大功率的电源中，例如在DCDC转换电路中，其输出就常常采用倒LC滤波电路来实现滤波。
1.π型滤波电路
π型滤波电路有两种方法，一种是LC-π型滤波电路，一种是RC-π型滤波电路，其区别在于采用的是哪种元件在直流通道上。 LC-π型滤波电路在倒L型滤波基础上再加一个电容，因此对输出电压的脉动更小，**它的滤波效果比倒L型滤波效果更好。但是其输出同样较小，因此更适合在小功率下使用。**所以说LC-π型滤波电路可以看做是普通C型滤波电路的改进，和C型滤波电路的使用场合相似。 下图是LC-π型滤波电路：
如果这里把电感改成电容，就成了RC-π型滤波电路。这种滤波与LC-π型滤波类似，只不过是用电阻代替了电感，由于电阻对电压具有降压作用，，与电容组合在一起时候使得较多的脉动的交流成分降在电阻上，减少对负载的影响，最终实现滤波。
三、典型稳压芯片外围电路的设计
1.总体设计
假设我们需要将直流DC25.2V转化为5V输出，输出电流为1.21A，那么如何选择合适的稳压芯片和稳压电路实现上述的指标要求呢？
首先我们应该选择是采用线性稳压芯片，还是开关型稳压芯片。
假设采用线性稳压芯片，我们来计算一下耗散功率，输入为25.2V，输出为5V，输出电流为1.21A，因此耗散功率P等于： P = ( 25.2 V − 5 V ) ∗ 1.21 W = 24.442 W P=(25.2V-5V)*1.21W=24.442W P=(25.2V−5V)∗1.21W=24.442W 这个耗散功率是远远大于正常情况下线性稳压芯片所要求的耗散功率的最大值，一般来说要求耗散功率应小于1.9W，否则芯片的发热将十分严重，无法避免。
因此我们只能采用开关型稳压芯片，开关型稳压芯片其三极管工作在饱和区，因此其转换效率较高，输出电流较大，耗散功率较小，因此发热量较小，适合这种大压差大负载的需求场景。但是开关型稳压芯片由于其输出是通过高频的开启和关闭来实现调压，因此输出的电流的高频成分较大，因此其输出的电流的稳定性等不如线性稳压芯片。因此在下一级使用之前，应该对开关型稳压芯片增加一些外围电路，使输出的电流的稳定性更好，更接近理想的直流输出。
例如我们采用LM2596-5V的DCDC稳压芯片。其输入电压范围是7-40V，输出电压为5V，输出电流最大为3A，开关频率为150KHz。
一个DCDC的电路的典型电路图如下所示：
2.电感的选择
那么首先根据商家提供的图标进行选择电感：
3.输出滤波电容的选择
然后我们选择输出级的滤波电容，一般来说，输出电容的耐压程度为电压的1.5倍基本上就可以，但是对于这里来说，低耐压电容的等效阻抗比较大，220μF /10V的铝电解电容也会产生大约 225Ω的等效阻抗，这么大的等效电阻会在输出端产生相对高的输出纹波电压。要把纹波电压降到输出电压的 1%或更低，就需要选择一个耐压（低等效电阻的）更高或容值更高的电容。一个16V或 25V的电容几乎可以把纹波电压降到原来的一半。
总结来说，在大多数的使用中，使用 82μF～820μF之间的低等效电阻（Low ESR）的电解电容或固态钽电容效果最好，电容要靠近 IC，管脚要短，连接的铜线要短。不要使用大于 820μF的电容。 对于电容容值的选择，我们也可以直接查下面的表格来选择：
通过查表，
4.前馈电容的选择
通过上面的我们对于电容的讲解，在输出端的大电容旁，我们可以并联一个小电容，从而提高电路的稳定性，这个电容的典型值在100pF～100nF之间，对于高输出电压、低输入-输出电压时和/或低等效电阻的输出电容等情况，这个电容可以使电路格外稳定，如固态钽电容。也可以是瓷片电容、塑胶或云母电容等（但是Z5U/Y5V瓷片电容性能不稳定，所以建议不要使用这种电容）。
5.吸纳二极管的选择
吸纳二极管的哦选择应遵循以下原则：
A. 吸纳二极管的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的 1.3倍，如果设计的电源要承受连续的短路输出，则吸纳二极管的最大承受电流能力要等于 LM2596的极限输出电流。对吸纳二极管来说，最坏的情况是过载或输出短路。
B. 吸纳二极管的反向耐压至少要为 最大输入电压的 1.25倍。
C. 吸纳二极管必须是快恢复的且必须靠近 LM2596，此二极管的管脚要短，连接的铜线也要短。由于所需的二极管开关速度快、正向压降低，所以，肖特基二极管是首选，同时，它的性能和效率都很好，特别是在低输出电压情况下更是如此。使用超快恢复或高效整流二极管效果也很好，但是，一些有突然关断性能的这种器件可能会引起不稳定或电磁感应的问题。超快恢复二极管的典型恢复时间为 50ns或更快， 但 IN5400系列的整流二极管速度很慢，通常不用。
综上所述，在假设极限工作电流2A，短路电流3A的情况下，我们应选择的肖特基二极管的最大承载电流等于3A，耐压要大于31.5V，且开关频率要大于150kHz。
6.输入电容的选择
为了防止在输入端出现大的瞬态电压，在输入端和地之间要加一个低等效电阻的铝或钽电容作为旁路电容，这个电容要靠近 IC。另外，输入电容电流的均方根值至少要为直流负载电流的一半。要确保所选的电容的这个参数不能低于直流负载电流的一半。
对铝电解电容，其耐压值要为最大输入电压的 1.5倍。必须注意的是，如果使用了钽电容，则它的耐压要为输入电压的 2倍，推荐使用生产厂家测试过浪涌电流的电容。使用瓷片电容为输入旁路电容时要特别小心，因为这可能会在输入脚处引起非常严重的噪声。
因此我们在选择输入电容的时候，需要根据输入电压和输出电流来选择，电容的耐受电压至少大于输入电压的1.5倍，而电容的均方根电流应至少大于负载电流的0.5倍，因此根据下图我们选择合适的电容：
通过上述图，我们应该选择25.2*1.5=37.8V以上的，1.5A以上的电容，
综上所述，我们已经实现了一个DCDC的电源的外围电路的设计和选型。
4.实际设计所遇到的问题
1.确定芯片没问题的情况下，测得的输出的电压几乎为0V。
答：可能是线路连接有问题，比如说续流二极管焊反了。