开关模式电源（SMPS）并不是独立存在的器件，而是整体系统架构的一部分。在设计过程中，应从全局角度评估输入电压、所需输出电压及其分配方案，以实现高效、经济且实用的解决方案。

整体电源架构评估

假设系统有一个 12V 输入电源轨，并且需要 3.3V（用于 I/O）、1.8V（用于 RAM）和 1.2V（用于处理器）的电源轨。这种情况下，有多种实现方式：

1. 方案一：直接降压设计
   使用三个独立的降压转换器，从 12V 输入分别生成 3.3V、1.8V 和 1.2V 输出。这种方法灵活，但对 PCB 空间、电路复杂度及成本提出了更高要求。

2. 方案二：级联式电源设计
   通过一个大功率降压转换器生成 3.3V 电源轨，然后通过线性稳压器（LDO）从 3.3V 输出产生 1.8V 和 1.2V。这种方式优化了组件使用量，同时 LDO 能有效减少电压纹波和电磁干扰（EMI）。

3. 方案三：二次降压和级联
   利用降压转换器生成 3.3V 输出，再级联两个 LDO，分别生成 1.8V 和 1.2V。这种设计的纹波与 EMI 表现最佳，适合敏感电路。

线性稳压器虽效率低于开关稳压器，但在某些应用中具备明显优势，如简单的设计、占用空间小及高电源抑制比（PSRR）。

线性稳压器的优点

1. 噪声抑制能力强
   线性稳压器通过高 PSRR （典型值在 40-60dB，高端器件可达 90dB 或更高）显著降低输入噪声。对 RAM 或处理器电源等高敏感性负载，LDO 是控制纹波的重要手段。

2. 经济高效
   与开关模式设计相比，LDO 通常更具成本效益，占用 PCB 空间小且需要的外围元件较少。

同步开关模式设计

当电路板上存在多个 SMPS 时，同步它们的开关频率对减少干扰大有帮助。多数开关器件允许选择外部时钟同步频率，可通过以下方法优化设计：

1. 统一频率
   所有电源均使用相同的频率，由单一时钟信号提供参考（如微控制器）。

2. 多相切换
   多相振荡器（如 LTC6902）可生成不同相位的时钟信号，减少电源之间的干扰。例如，LTC6902 可生成三相信号（120°相移，1MHz 开关频率），降低总纹波幅度并优化散热性能。

开关频率选择的关键因素

在设计 SMPS 时，开关频率直接影响电压纹波和效率。较高的频率通常有助于降低纹波，但设备的短导通时间（t_on(min)）会限制最高频率 (F_S(max))：

$V_{\text{out}} = t_{\text{on(min)}} \times V_{\text{in}} \times F_{\text{S(max)}} \times \eta$Vout=ton(min)×Vin×FS(max)×η

从数据手册中获取输入电压、效率、输出电压和 t_on(min)，即可计算最高开关频率，并确保实际设计在安全范围内。

PCB 布局对性能的影响

SMPS 在 PCB 上的位置对性能至关重要：

• 靠近输入电源轨
  将 SMPS 布置在电源轨附近可减少线阻损耗并提高效率。

• 远离敏感信号
  高速数字信号（如以太网、USB）和模拟信号（如音频电路）容易受到开关噪声的影响，应避免接近 SMPS。

• 接地设计
  避免复杂的“切换接地”方案，通过优化布局设计即可实现良好的隔离。

进一步降低 SMPS 噪声的措施

1. EMI 屏蔽
   使用导电金属盒覆盖敏感器件或 EMI 产生源，提供物理隔离。标准屏蔽件可直接购买，复杂设计可定制屏蔽壳体。

2. 现成模块
   市场上有许多预设计的 SMPS 模块可供选择，它们集成了必要组件，降低了设计复杂性，但成本较高。

3. 滤波电路
   在电源输出端添加 LC 滤波电路，进一步减少纹波和噪声，适合高精度应用场景。

结论

通过合理的设计与布局，SMPS 能有效满足现代电子设备对高效率、小体积和低干扰的需求。关键在于评估系统需求，合理选择架构与组件，优化同步和布局设计，并辅以必要的 EMI 抑制措施，从而实现性能和成本的平衡。