開關電源PCB設計原則及走線技巧
四、大電流走線的處理
線寬可按照前帖處理,如寬度不夠,一般可采用在走線上鍍錫增加厚度進行解決,其方法有好多種。
1. 將走線設置成焊盤屬性,這樣在線路板制造時該走線不會被阻焊劑覆蓋,熱風整平時會被鍍上錫。
2. 在布線處放置焊盤,將該焊盤設置成需要走線的形狀,要注意把焊盤孔設置為零。
3. 在阻焊層放置線,此方法最靈活,但不是所有線路板生產商都會明白你的意圖,需用文字說明。在阻焊層放置線的部位會不涂阻焊劑
線路鍍錫的幾種方法如上。一般可采用細長條鍍錫寬度在1~1.5mm,長度可根據線路來確定,鍍錫部分間隔0.5~1mm 雙面線路板為布局、走線提供了很大的選擇性,可使布線更趨于合理。關于接地,功率地與信號地一定要分開,兩個地可在濾波電容處匯合,以避免大脈沖電流通過 信號地連線而導致出現不穩(wěn)定的意外因素,信號控制回路盡量采用一點接地法。
電壓反饋取樣,為避免大電流通過走線的影響,反饋電壓的取樣點一定要放在電源輸出最末梢,以提高整機負載效應指標。
走線從一個布線層變到另外一個布線層一般用過孔連通,不宜通過器件管腳焊盤實現,因為在插裝器件時有可能破壞這種連接關系,還有在每1A電流通過時,至少應有2個過孔,過孔孔徑原則要大于0.5mm,一般0.8mm可確保加工可靠性。
五、鋁基板在開關電源中的應用和多層印制板在開關電源電路中的應用
鋁基板(金屬基散熱板(包含鋁基板,銅基板,鐵基板))是一種獨特的金屬基覆銅板,它具有良好的導熱性、電氣絕緣性能和機械加工性能。鋁基覆銅板是一種金屬線路板材料、由銅箔、導熱絕緣層及金屬基板組成,它的結構分三層:
Cireuitl.Layer線路層:相當于普通PCB的覆銅板,線路銅箔厚度loz至10oz。
DielcctricLayer絕緣層:絕緣層是一層低熱阻導熱絕緣材料。厚度為:0.003“至0.006”英寸是鋁基覆銅板的核心技術所在,已獲得UL認證。
BaseLayer基層是金屬基板,一般是鋁或可所選擇銅。鋁基覆銅板和傳統的環(huán)氧玻璃布層壓板等,目前市場上主流的是福斯萊特鋁基板。
電路層(即銅箔)通常經過蝕刻形成印刷電路,使組件的各個部件相互連接,一般情況下,電路層要求具有很大的載流能力,從而應使用較厚的銅箔,厚度一般35μm~280μm;導熱絕緣層是鋁基板核心技術之所在,它一般是由特種陶瓷填充的特殊的聚合物構成,熱阻小,粘彈性能優(yōu)良,具有抗熱老化的能力,能夠承受機械及熱應力。該公司生產的高性能鋁基板的導熱絕緣層正是使用了此種技術,使其具有極為優(yōu)良的導熱性能和高強度的電氣絕緣性能;金屬基層是鋁基板的支撐構件,要求具有高導熱性,一般是鋁板,也可使用銅板(其中銅板能夠提供更好的導熱性),適合于鉆孔、沖剪及切割等常規(guī)機械加工。
鋁基板由其本身構造,具有以下特點:導熱性能非常優(yōu)良、單面縛銅、器件只能放置在縛銅面、不能開電器連線孔所以不能按照單面板那樣放置跳線。
鋁基板上一般都放置貼片器件,開關管,輸出整流管通過基板把熱量傳導出去,熱阻很低,可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結構,也可通過基板散熱,其溫 升比常規(guī)要低,同樣規(guī)格變壓器采用鋁基板結構可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以采用搭橋的方式處理。鋁基板電源一般由由兩塊印制板組成,另外一塊板放 置控制電路,兩塊板之間通過物理連接合成一體。
由于鋁基板優(yōu)良的導熱性,在小量手工焊接時比較困難,焊料冷卻過快,容易出現問題現有一個簡單實用的方法,將一個燙衣服的普通電熨斗(最好有調溫功能), 翻過來,熨燙面向上,固定好,溫度調到150℃左右,把鋁基板放在熨斗上面,加溫一段時間,然后按照常規(guī)方法將元件貼上并焊接,熨斗溫度以器件易于焊接為 宜,太高有可能時器件損壞,甚至鋁基板銅皮剝離,溫度太低焊接效果不好,要靈活掌握。
最近幾年,隨著多層線路板在開關電源電路中應用,使得印制線路變壓器成為可能,由于多層板,層間距較小,也可以充分利用變壓器窗口截面,可在主線路板上再 加一到兩片由多層板組成的印制線圈達到利用窗口,降低線路電流密度的目的,由于采用印制線圈,減少了人工干預,變壓器一致性好,平面結構,漏感低,偶合 好。開啟式磁芯,良好的散熱條件。由于其具有諸多的優(yōu)勢,有利于大批量生產,所以得到廣泛的應用。但研制開發(fā)初期投入較大,不適合小規(guī)模生。
開關電源分為,隔離與非隔離兩種形式,在這里主要談一談隔離式開關電源的拓撲形式,在下文中,非特別說明,均指隔離電源。隔離電源按照結構形式不同,可分 為兩大類:正激式和反激式。反激式指在變壓器原邊導通時副邊截止,變壓器儲能。原邊截止時,副邊導通,能量釋放到負載的工作狀態(tài),一般常規(guī)反激式電源單管 多,雙管的不常見。正激式指在變壓器原邊導通同時副邊感應出對應電壓輸出到負載,能量通過變壓器直接傳遞。按規(guī)格又可分為常規(guī)正激,包括單管正激,雙管正 激。半橋、橋式電路都屬于正激電路。
正激和反激電路各有其特點,在設計電路的過程中為達到最優(yōu)性價比,可以靈活運用。一般在小功率場合可選用反激式。稍微大一些可采用單管正激電路,中等功 率可采用雙管正激電路或半橋電路,低電壓時采用推挽電路,與半橋工作狀態(tài)相同。大功率輸出,一般采用橋式電路,低壓也可采用推挽電路。
反激式電源因其結構簡單,省掉了一個和變壓器體積大小差不多的電感,而在中小功率電源中得到廣泛的應用。在有些介紹中講到反激式電源功率只能做到幾十瓦, 輸出功率超過100瓦就沒有優(yōu)勢,實現起來有難度。本人認為一般情況下是這樣的,但也不能一概而論,PI公司的TOP芯片就可做到300瓦,有文章介紹反 激電源可做到上千瓦,但沒見過實物。輸出功率大小與輸出電壓高低有關。
反激電源變壓器漏感是一個非常關鍵的參數,由于反激電源需要變壓器儲存能量,要 使變壓器鐵芯得到充分利用,一般都要在磁路中開氣隙,其目的是改變鐵芯磁滯回線的斜率,使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊,而不至于鐵芯進入飽和非線形狀 態(tài),磁路中氣隙處于高磁阻狀態(tài),在磁路中產生漏磁遠大于完全閉合磁路。
變壓器初次極間的偶合,也是確定漏感的關鍵因素,要盡量使初次極線圈靠近,可采用三明治繞法,但這樣會使變壓器分布電容增大。選用鐵芯盡量用窗口比較長的磁芯,可減小漏感,如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。
關于反激電源的占空比,原則上軍用電源的最大占空比應該小于0.5,否則環(huán)路不容易補償,有可能不穩(wěn)定,但有一些例外,如美國PI公司推出的 TOP系列芯片是可以工作在占空比大于0.5的條件下。 占空比由變壓器原副邊匝數比確定,本人對做反激的看法是,先確定反射電壓(輸出電壓通過變壓器耦合反映到原邊的電壓值),在一定電壓范圍內反射電壓提高則 工作占空比增大,開關管損耗降低。
接著談關于反激電源的占空比(本人關注反射電壓,與占空比一致),占空比還與選擇開關管的耐壓有關,有一些早期的反激電源使用比較低耐壓開關管,如 600V或650V作為交流220V 輸入電源的開關管,也許與當時生產工藝有關,高耐壓管子,不易制造,或者低耐壓管子有更合理的導通損耗及開關特性,像這種線路反射電壓不能太高,否則為使 開關管工作在安全范圍內,吸收電路損耗的功率也是相當可觀的?,F在 由于MOS管制造工藝水平的提高,一般反激電源都采用700V或750V甚至 800-900V的開關管。這兩種類型各有優(yōu)缺點:
第一類:缺點抗過壓能力弱,占空比小,變壓器初級脈沖電流大。優(yōu)點:變壓器漏感小,電磁輻射低,紋波指標高,開關管損耗小,轉換效率不一定比第二類低。
第二類:缺點開關管損耗大一些,變壓器漏感大一些,紋波差一些。優(yōu)點:抗過壓能力強一些,占空比大,變壓器損耗低一些,效率高一些。
六、反激電源反射電壓還有一個確定因素
軍用開關電源的反射電壓還與一個參數有關,那就是輸出電壓,輸出電壓越低則變壓器匝數比越大,變壓器漏感越大,開關管承受電壓越高,有可能擊穿開關管、吸收電 路消耗功率越大,有可能使吸收回路功率器件永久失效。在設計低壓輸出小功率反激電源的優(yōu)化過程中必須小心處理,其處理方法有幾個:
1、采用大一個功率等級的磁芯降低漏感,這樣可
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