開(kāi)關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)非常重要的一步，對(duì)電源的電性能、EMC、可靠性、可生產(chǎn)性都有關(guān)聯(lián)。當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源的功率密度越來(lái)越高，對(duì)PCB布局、布線的要求也越發(fā)嚴(yán)格，合理科學(xué)的PCB設(shè)計(jì)讓電源開(kāi)發(fā)事半功倍，以下細(xì)節(jié)供您參考。

一、布局要求

PCB布局是比較講究的，不是說(shuō)隨便放上去，擠得下就完事的。一般PCB布局要遵循幾點(diǎn)：

圖1

3、放置器件時(shí)要考慮以后的焊接和維修，兩個(gè)高度高的元件之間盡量避免放置矮小的元件，如圖2所示，這樣不利于生產(chǎn)和維護(hù)，元件之間最好也不要太密集，但是隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的開(kāi)關(guān)電源越來(lái)越趨于小型化和緊湊化，所以就需要平衡好兩者之間的度了，既要方便焊裝與維護(hù)又要兼顧緊湊。

還有就是要考慮實(shí)際的貼片加工能力，按照IPC-A-610E的標(biāo)準(zhǔn)，考慮元件側(cè)面偏移的精度，不然容易造成元件之間連錫，甚至由于元件偏移造成元件距離不夠。

圖2

圖3

6、高頻脈沖電流流過(guò)的區(qū)域要遠(yuǎn)離輸入、輸出端子，使噪聲源遠(yuǎn)離輸入、輸出口，有利于提高EMC性能。

圖4

如圖4所示，左圖變壓器離入口太近，電磁的輻射能量直接作用于輸入輸出端，因此，EMI測(cè)試不通過(guò)。改為右邊的方式后，變壓器遠(yuǎn)離入口，電磁的輻射能量距輸入輸出端距離加大，效果改善明顯，EMI測(cè)試通過(guò)。

7、發(fā)熱元件（如變壓器，開(kāi)關(guān)管，整流二極管等）的布局要考慮散熱的效果，使得整個(gè)電源的散熱均勻，對(duì)溫度敏感的關(guān)鍵元器件（如IC）應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件，發(fā)熱較大的器件應(yīng)與電解電容等影響整機(jī)壽命的器件有一定的距離。

8、布板時(shí)要注意底面元件的高度。例如對(duì)于灌封的DC-DC電源模塊來(lái)說(shuō)，因?yàn)镈C-DC模塊本身體積就比較小，如果底面元件的高度四邊不平衡，灌封的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)兩邊引腳高度一邊高一邊低的現(xiàn)象。

圖5

9、布局的時(shí)候要注意控制引腳的抗靜電能力，相應(yīng)的電路元件之間的距離要足夠，例如Ctrl引腳（低電平關(guān)斷），其電路不像輸入、輸出端那樣具有電容濾波，所以抗靜電能力是整個(gè)模塊最弱的，一定要確保有足夠的安全間距。

二、走線原則

1、小信號(hào)走線要盡量遠(yuǎn)離大電流走線，兩者不要靠近平行走線，如果無(wú)法避免平行的話，也要拉開(kāi)足夠的距離，避免小信號(hào)走線受到干擾。

圖6

2、關(guān)鍵的小信號(hào)走線，如電流取樣信號(hào)線和光耦反饋的信號(hào)線等，盡量減小回路包圍的面積。

圖7

3、相鄰之間不應(yīng)有過(guò)長(zhǎng)的平行線(當(dāng)然同一電流回路平行走線是可以的)，上下層走線盡量采用交叉用垂直方式，走線不要突然拐角（即：≤90°），直角、銳角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。

圖8

圖9

圖10

5、高頻元件（如變壓器、電感）底下第一層不要走線，高頻元件正對(duì)著的底面也最好不要放置元件，如果無(wú)法避免，可以采用屏蔽的方式，例如高頻元件在Top層，控制電路正對(duì)著在Bottom層，注意要在高頻元件所在的第一層敷銅進(jìn)行屏蔽，如圖11所示，這樣可以避免高頻噪聲輻射干擾到底面的控制電路。

圖11

6、濾波電容的走線要特別注意,如圖12，左圖有一部分紋波&噪聲會(huì)經(jīng)過(guò)走線出去，右圖濾波效果會(huì)好很多，紋波&噪聲經(jīng)過(guò)濾波電容被完全濾掉。

圖12

圖13

8、發(fā)熱大的元件（如TO-252封裝的MOS管）下可以大面積裸銅，用于散熱，這樣可以提高元件的可靠性。功率走線銅箔較窄處可以裸銅用于加錫以保證大電流的流通。

三、安規(guī)距離與工藝要求

1、電氣間隙：兩相鄰導(dǎo)體或一個(gè)導(dǎo)體與相鄰導(dǎo)電機(jī)殼表面的沿空氣測(cè)量的最短距離。爬電距離：兩相鄰導(dǎo)體或一個(gè)導(dǎo)體與相鄰導(dǎo)電機(jī)殼表面的沿著絕緣表面測(cè)量的最短距離。

圖14

一般電源模塊電壓與最小爬電距離的關(guān)系可參照下表：

2、元件到板邊的距離要求。位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不少于2mm，對(duì)于像10W以下的小型化DC-DC模塊，由于元件體積和高度比較小，而且輸入輸出電壓不高，為了滿足小型化的要求，也要至少留有0.5mm以上的距離。

大面積銅箔到外框的距離應(yīng)至少保證0.20mm以上的間距，因在銑外形時(shí)容易銑到銅箔上造成銅箔翹起及由其引起焊劑脫落問(wèn)題。

3、若走線入圓焊盤(pán)或過(guò)孔的寬度較圓焊盤(pán)的直徑小時(shí)，則需加淚滴，加強(qiáng)吸附力，避免焊盤(pán)或過(guò)孔脫落。

圖15

4、SMD器件的引腳與大面積銅箔連接時(shí)，要進(jìn)行熱隔離處理，不然過(guò)回流焊的時(shí)候由于散熱快，容易造成虛焊或脫焊。

圖16

圖17

各個(gè)步驟中所需注意的事項(xiàng)

在任何開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，PCB板的物理設(shè)計(jì)都是最后一個(gè)環(huán)節(jié)，如果設(shè)計(jì)方法不當(dāng)，PCB可能會(huì)輻射過(guò)多的電磁干擾，造成電源工作不穩(wěn)定，以下針對(duì)各個(gè)步驟中所需注意的事項(xiàng)進(jìn)行分析。

1. 從原理圖到PCB的設(shè)計(jì)流程

建立元件參數(shù)－>輸入原理網(wǎng)表->設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置->手工布局->手工布線->驗(yàn)證設(shè)計(jì)－>復(fù)查->CAM輸出。

2. 參數(shù)設(shè)置

相鄰導(dǎo)線間距必須能滿足電氣安全要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距也應(yīng)盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓，在布線密度較低時(shí)，信號(hào)線的間距可適當(dāng)?shù)丶哟?，?duì)高、低電平懸殊的信號(hào)線應(yīng)盡可能地短且加大間距，一般情況下將走線間距設(shè)為8mil。焊盤(pán)內(nèi)孔邊緣到印制板邊的距離要大于1mm，這樣可以避免加工時(shí)導(dǎo)致焊盤(pán)缺損。當(dāng)與焊盤(pán)連接的走線較細(xì)時(shí)，要將焊盤(pán)與走線之間的連接設(shè)計(jì)成水滴狀，這樣的好處是焊盤(pán)不容易起皮，而是走線與焊盤(pán)不易斷開(kāi)。

3. 元器件布局

實(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對(duì)電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細(xì)平行線靠得很近，則會(huì)形成信號(hào)波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲；由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會(huì)使產(chǎn)品的性能下降，因此，在設(shè)計(jì)印制電路板的時(shí)候，應(yīng)注意采用正確的方法。每一個(gè)開(kāi)關(guān)電源都有四個(gè)電流回路：

◆ 電源開(kāi)關(guān)交流回路

◆ 輸出整流交流回路

◆ 輸入信號(hào)源電流回路

◆ 輸出負(fù)載電流回路輸入回路

通過(guò)一個(gè)近似直流的電流對(duì)輸入電容充電，濾波電容主要起到一個(gè)寬帶儲(chǔ)能作用；類似地，輸出濾波電容也用來(lái)儲(chǔ)存來(lái)自輸出整流器的高頻能量，同時(shí)消除輸出負(fù)載回路的直流能量。所以，輸入和輸出濾波電容的接線端十分重要，輸入及輸出電流回路應(yīng)分別只從濾波電容的接線端連接到電源；如果在輸入/輸出回路和電源開(kāi)關(guān)/整流回路之間的連接無(wú)法與電容的接線端直接相連，交流能量將由輸入或輸出濾波電容并輻射到環(huán)境中去。

電源開(kāi)關(guān)交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形電流，這些電流中諧波成分很高，其頻率遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)基頻，峰值幅度可高達(dá)持續(xù)輸入/輸出直流電流幅度的5倍，過(guò)渡時(shí)間通常約為50ns。這兩個(gè)回路最容易產(chǎn)生電磁干擾，因此必須在電源中其它印制線布線之前先布好這些交流回路，每個(gè)回路的三種主要的元件濾波電容、電源開(kāi)關(guān)或整流器、電感或變壓器應(yīng)彼此相鄰地進(jìn)行放置，調(diào)整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短。

建立開(kāi)關(guān)電源布局的最好方法與其電氣設(shè)計(jì)相似，最佳設(shè)計(jì)流程如下：

1. 放置變壓器

2. 設(shè)計(jì)電源開(kāi)關(guān)電流回路

3. 設(shè)計(jì)輸出整流器電流回路

4. 連接到交流電源電路的控制電路

設(shè)計(jì)輸入電流源回路和輸入濾波器 設(shè)計(jì)輸出負(fù)載回路和輸出濾波器根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：

● 首先要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過(guò)小則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。電路板的最佳形狀為矩形，長(zhǎng)寬比為3：2或4：3，位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm

● 放置器件時(shí)要考慮以后的焊接，不要太密集

● 以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、 整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接, 去耦電容盡量靠近器件的VCC

● 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)

● 按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向

● 布局的首要原則是保證布線的布通率，移動(dòng)器件時(shí)注意飛線的連接，把有連線關(guān)系的器件放在一起

●盡可能地減小環(huán)路面積,以抑制開(kāi)關(guān)電源的輻射干擾

4. 布線

開(kāi)關(guān)電源中包含有高頻信號(hào)，PCB上任何印制線都可以起到天線的作用，印制線的長(zhǎng)度和寬度會(huì)影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應(yīng)。即使是通過(guò)直流信號(hào)的印制線也會(huì)從鄰近的印制線耦合到射頻信號(hào)并造成電路問(wèn)題(甚至再次輻射出干擾信號(hào))。因此應(yīng)將所有通過(guò)交流電流的印制線設(shè)計(jì)得盡可能短而寬，這意味著必須將所有連接到印制線和連接到其他電源線的元器件放置得很近。

印制線的長(zhǎng)度與其表現(xiàn)出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比。長(zhǎng)度反映出印制線響應(yīng)的波長(zhǎng)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，印制線能發(fā)送和接收電磁波的頻率越低，它就能輻射出更多的射頻能量。根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)、使電源線、地線的走向和電流的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。接地是開(kāi)關(guān)電源四個(gè)電流回路的底層支路，作為電路的公共參考點(diǎn)起著很重要的作用，它是控制干擾的重要方法。因此，在布局中應(yīng)仔細(xì)考慮接地線的放置，將各種接地混合會(huì)造成電源工作不穩(wěn)定。

5. 檢查

布線設(shè)計(jì)完成后，需認(rèn)真檢查布線設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)者所制定的規(guī)則，同時(shí)也需確認(rèn)所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查線與線、線與元件焊盤(pán)、線與貫通孔、元件焊盤(pán)與貫通孔、貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求。電源線和地線的寬度是否合適，在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。注意：有些錯(cuò)誤可以忽略，例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外，檢查間距時(shí)會(huì)出錯(cuò)；另外每次修改過(guò)走線和過(guò)孔之后，都要重新覆銅一次。

復(fù)查根據(jù)“PCB檢查表”，內(nèi)容包括設(shè)計(jì)規(guī)則，層定義、線寬、間距、焊盤(pán)、過(guò)孔設(shè)置，還要重點(diǎn)復(fù)查器件布局的合理性，電源、地線網(wǎng)絡(luò)的走線，高速時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的走線與屏蔽，去耦電容的擺放和連接等。

6. 設(shè)計(jì)輸出

輸出光繪文件的注意事項(xiàng)：

● 需要輸出的層有布線層（底層）、絲印層（包括頂層絲印、底層絲印）、阻焊層（底層阻焊）、鉆孔層（底層），另外還要生成鉆孔文件（NC Drill）

● 設(shè)置絲印層的Layer時(shí)，不要選擇Part Type，選擇頂層（底層）和絲印層的Outline、Text、Line

● 在設(shè)置每層的Layer時(shí)，將Board Outline選上，設(shè)置絲印層的Layer時(shí)，不要選擇Part Type，選擇頂層（底層）和絲印層的Outline、Text、Line

● 生成鉆孔文件時(shí)，使用PowerPCB的缺省設(shè)置，不要作任何改變

當(dāng)然，以上只是個(gè)人總結(jié)的一些開(kāi)關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，還有很多細(xì)節(jié)上的或其他方面的知識(shí)需要注意的，最后我想說(shuō)的是PCB設(shè)計(jì)，除了原則要求和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)之外，最重要的一點(diǎn)是細(xì)心再細(xì)心，檢查再檢查。