基于LM7805的线性电源与开关电源的原理图及PCB设计指南

电源电路作为电子产品的重要组成部分，其设计直接关系到产品的整体性能。我们的电子产品主要采用两种类型的电源电路：线性电源和高频开关电源。从理论上讲，线性电源的工作方式是根据用户所需的电流大小来确定输入端应提供的电流；而开关电源则是依据用户所需的功率来决定输入端需提供的功率。

线性电源

功率器件与线性电源一起工作在线性状态，比如我们常用的稳压芯片LM7805，LM317，SPX1117等。下图1是LM7805稳压电源电路原理图。

图1：LM7805稳压电源电路原理图

从图中可以看出，线性电源是由整流、滤波、稳压、储能等功能元件组成的。同时，一般使用的线性电源都是串联稳压电源，输出电流等于输入电流，I1=I2+I3，I3为参考端，电流很小，所以I1≈I2。之所以讲电流，是因为PCB设计时每条线的宽度不是随便定的，而是根据原理图中元件节点间的电流来确定的。必须搞清楚电流的大小和方向，这样板子才刚好合适。

设计PCB时元器件布局要紧凑，所有连线尽量短，元件及走线要按照原理图元器件的功能关系进行布局。这个电源图中，先整流，再滤波、稳压、储能。图2是上面原理图的PCB图，两张图差不多，左边的图和右边的图有点不一样，左边的图电源是整流后直接接在稳压芯片的输入脚上，再接稳压电容，这里电容的滤波效果就差很多了。这里也有问题，我们不仅要考虑正电源的流向，还要考虑地线返回问题，一般来说，正电源线和地线返回线尽量同时进出，并且要靠近。

图2：PCB图

在设计线性电源PCB时，还要注意线性电源的功率稳压芯片的散热问题。热量是怎么来的？假设稳压芯片前端电压为10V，输出端为5V，输出电流为500mA，则有5V的压降，产生的热量为2.5W；如果输入电压为15V，则有10V的压降，产生的热量为5W。所以电路板的布局要根据散热功率，留出足够的散热空间或者合理的散热片。线性电源一般用在压差、电流比较小的场合，否则请改用开关电源电路。

高频开关电源

开关电源就是利用电路控制开关管高速导通和截止，产生PWM波形，通过电感和续流二极管，以电磁转换的方式调节电压。开关电源功率大，效率高，发热量小。我们一般使用的电路有LM2575，MC34063，SP6659等。理论上，开关电源在电路两端的功率相同，电压成反比，电流成反比。

图3：LM2575开关电源电路原理图

在设计开关电源PCB时，需要注意的点有：反馈线的引入点和续流二极管在哪里续流。从图3中可以看出，当U1导通时，电流I2进入电感L1，电感的特性就是电流流过电感时不能突然出现或消失，电感中电流的变化有一个时间过程，在流过电感的脉冲电流I2作用下，一部分电能转换成磁能，电流逐渐增大，在某一时刻，控制电路U1关断I2，由于电感的特性，电流不能突然消失，此时二极管就起到了接替电流I2的作用，所以叫续流二极管。可以看出续流二极管是 为电感而设的。续流电流I3从C3的负极开始，经过D1、L1后流入C3的正极。这就相当于一个水泵，利用电感的能量来提高电容C3的电压。电压检测反馈线的引入还有一个问题，要经过滤波后再反馈回来，否则输出电压纹波会比较大。这两点往往被我们很多PCB设计人员所忽视。图4是LM2575开关电源的PCB图。

图4：LM2575开关电源的PCB图

为什么要详细讲原理图的原理呢，因为原理图里面包含了很多画PCB的信息，比如元件管脚的接入点，节点网络的电流大小等等。看清楚原理图之后，PCB设计就不是问题了。LM7805和LM2575电路分别代表线性电源和开关电源的典型布局电路，做PCB的时候直接按照这两个PCB图布局布线就可以了，但是产品不同，电路板也不同，要根据实际情况进行调整。

电源电路的原理和布局方法都是一样的，每一个电子产品都离不开电源及其电路。因此，学会了这两个电路，其它的也就清楚了。