開(kāi)關(guān)電源PCB設計

PCB設計是開(kāi)關(guān)電源設計非常重要的一步，對電源的電性能、EMC、可靠性、可生產(chǎn)性都有關(guān)聯(lián)。當前開(kāi)關(guān)電源的功率密度越來(lái)越高，對PCB布局、布線(xiàn)的要求也越發(fā)嚴格，合理科學(xué)的PCB設計讓電源開(kāi)發(fā)事半功倍，以下細節供您參考。

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，元件之間最好也不要太密集，但是隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，現在的開(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的標準，考慮元件側面偏移的精度，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)的區域要遠離輸入、輸出端子，使噪聲源遠離輸入、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測試不通過(guò)。改為右邊的方式后，變壓器遠離入口，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，對溫度敏感的關(guān)鍵元器件（如IC）應遠離發(fā)熱元件，發(fā)熱較大的器件應與電解電容等影響整機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。例如對于灌封的DC-DC電源模塊來(lái)說(shuō)，因為DC-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 )出現兩邊引腳高度一邊高一邊低的現象。

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(xiàn)原則

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

圖6

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

圖7

3、相鄰之間不應有過(guò)長(cháng)的平行線(xiàn)(當然同一電流回路平行走線(xiàn)是可以的)，上下層走線(xiàn)盡量采用交叉用垂直方式，走線(xiàn)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(xiàn)，高頻元件正對著(zhù)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，控制電路正對著(zhù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)銅箔較窄處可以裸銅用于加錫以保證大電流的流通。

三、安規距離與工藝要求

1、電氣間隙：兩相鄰導體或一個(gè)導體與相鄰導電機殼表面的沿空氣測量的最短距離。爬電距離：兩相鄰導體或一個(gè)導體與相鄰導電機殼表面的沿著(zhù)絕緣表面測量的最短距離。

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(mǎn)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(xiàn)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

在任何開(kāi)關(guān)電源設計中，PCB板的物理設計都是最后一個(gè)環(huán)節，如果設計方法不當，PCB可能會(huì )輻射過(guò)多的電磁干擾，造成電源工作不穩定，以下針對各個(gè)步驟中所需注意的事項進(jìn)行分析。

1. 從原理圖到PCB的設計流程

建立元件參數－>輸入原理網(wǎng)表->設計參數設置->手工布局->手工布線(xiàn)->驗證設計－>復查->CAM輸出。

2. 參數設置

相鄰導線(xiàn)間距必須能滿(mǎn)足電氣安全要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距也應盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓，在布線(xiàn)密度較低時(shí)，信號線(xiàn)的間距可適當地加大，對高、低電平懸殊的信號線(xiàn)應盡可能地短且加大間距，一般情況下將走線(xiàn)間距設為8mil。焊盤(pán)內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)導致焊盤(pán)缺損。當與焊盤(pán)連接的走線(xiàn)較細時(shí)，要將焊盤(pán)與走線(xiàn)之間的連接設計成水滴狀，這樣的好處是焊盤(pán)不容易起皮，而是走線(xiàn)與焊盤(pán)不易斷開(kāi)。

3. 元器件布局

實(shí)踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會(huì )對電子設備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細平行線(xiàn)靠得很近，則會(huì )形成信號波形的延遲，在傳輸線(xiàn)的終端形成反射噪聲；由于電源、地線(xiàn)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，在設計印制電路板的時(shí)候，應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

◆ 輸入信號源電流回路

◆ 輸出負載電流回路輸入回路

通過(guò)一個(gè)近似直流的電流對輸入電容充電，濾波電容主要起到一個(gè)寬帶儲能作用；類(lèi)似地，輸出濾波電容也用來(lái)儲存來(lái)自輸出整流器的高頻能量，同時(shí)消除輸出負載回路的直流能量。所以，輸入和輸出濾波電容的接線(xiàn)端十分重要，輸入及輸出電流回路應分別只從濾波電容的接線(xiàn)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(xiàn)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，其頻率遠大于開(kāi)關(guān)基頻，峰值幅度可高達持續輸入/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(xiàn)布線(xiàn)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、電感或變壓器應彼此相鄰地進(jìn)行放置，調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計相似，最佳設計流程如下：

1. 放置變壓器

2. 設計電源開(kāi)關(guān)電流回路

3. 設計輸出整流器電流回路

4. 連接到交流電源電路的控制電路

設計輸入電流源回路和輸入濾波器 設計輸出負載回路和輸出濾波器根據電路的功能單元，對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(xiàn)條長(cháng)，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(xiàn)條易受干擾。電路板的最佳形狀為矩形，長(cháng)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(xiàn)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。一般電路應盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀(guān)，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，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向

● 布局的首要原則是保證布線(xiàn)的布通率，移動(dòng)器件時(shí)注意飛線(xiàn)的連接，把有連線(xiàn)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(xiàn)

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

印制線(xiàn)的長(cháng)度與其表現出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線(xiàn)的電感量和阻抗成反比。長(cháng)度反映出印制線(xiàn)響應的波長(cháng)，長(cháng)度越長(cháng)，印制線(xiàn)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。根據印制線(xiàn)路板電流的大小，盡量加租電源線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)、使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和電流的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。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(zhù)很重要的作用，它是控制干擾的重要方法。因此，在布局中應仔細考慮接地線(xiàn)的放置，將各種接地混合會(huì )造成電源工作不穩定。

5. 檢查

布線(xiàn)設計完成后，需認真檢查布線(xiàn)設計是否符合設計者所制定的規則，同時(shí)也需確認所制定的規則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查線(xiàn)與線(xiàn)、線(xiàn)與元件焊盤(pán)、線(xiàn)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(mǎn)足生產(chǎn)要求。電源線(xiàn)和地線(xiàn)的寬度是否合適，在PCB中是否還有能讓地線(xiàn)加寬的地方。注意：有些錯誤可以忽略，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；另外每次修改過(guò)走線(xiàn)和過(guò)孔之后，都要重新覆銅一次。

復查根據“PCB檢查表”，內容包括設計規則，層定義、線(xiàn)寬、間距、焊盤(pán)、過(guò)孔設置，還要重點(diǎn)復查器件布局的合理性，電源、地線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的走線(xiàn)，高速時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )的走線(xiàn)與屏蔽，去耦電容的擺放和連接等。

6. 設計輸出

輸出光繪文件的注意事項：

● 需要輸出的層有布線(xiàn)層（底層）、絲印層（包括頂層絲印、底層絲?。?、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

● 在設置每層的Layer時(shí)，將Board Outline選上，設置絲印層的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的缺省設置，不要作任何改變

當然，以上只是個(gè)人總結的一些開(kāi)關(guān)電源PCB設計的經(jīng)驗，還有很多細節上的或其他方面的知識需要注意的，最后我想說(shuō)的是PCB設計，除了原則要求和經(jīng)驗知識之外，最重要的一點(diǎn)是細心再細心，檢查再檢查。