开关电源的PCB设计规范
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开关电源的PCB设计一、布局:脉冲电压连线尽可能短,其中输入开关管到变压器连线,输出变压器到整流管连接线。
脉冲电流环路尽可能小如输入滤波电容正到变压器到开关管返回电容负。
输出部分变压器出端到整流管到输出电感到输出电容返回变压器电路中X电容要尽量接近开关电源输入端,输入线应避免与其他电路平行,应避开。
Y电容应放置在机壳接地端子或FG连接端。
共摸电感应与变压器保持一定距离,以避免磁偶合。
如不好处理可在共摸电感与变压器间加一屏蔽,以上几项对开关电源的EMC性能影响较大。
输出电容一般可采用两只一只靠近整流管另一只应靠近输出端子,可影响电源输出纹波指标,两只小容量电容并联效果应优于用一只大容量电容。
发热器件要和电解电容保持一定距离,以延长整机寿命,电解电容是开关电源寿命的瓶劲,如变压器、功率管、大功率电阻要和电解保持距离,电解之间也须留出散热空间,条件允许可将其放置在进风口。
控制部分要注意:高阻抗弱信号电路连线要尽量短如取样反馈环路,在处理时要尽量避免其受干扰、电流取样信号电路,特别是电流控制型电路,处理不好易出现一些想不到的意外,其中有一些技巧,现以3843电路举例见图(1)图一效果要好于图二,图二在满载时用示波器观测电流波形上明显叠加尖刺,由于干扰限流点比设计值偏低,图一则没有这种现象、还有开关管驱动信号电路,开关管驱动电阻要靠近开关管,可提高开关管工作可靠性,这和功率MOSFET高直流阻抗电压驱动特性有关。
方法/步骤1.印制板铜皮走线的一些事项:走线电流密度:现在多数电子线路采用绝缘板缚铜构成。
常用线路板铜皮厚度为35μm,走线可按照1A/mm经验值取电流密度值,具体计算可参见教科书。
为保证走线机械强度原则线宽应大于或等于0.3mm(其他非电源线路板可能最小线宽会小一些)。
铜皮厚度为70μm 线路板也常见于开关电源,那么电流密度可更高些。
补充一点,现常用线路板设计工具软件一般都有设计规范项,如线宽、线间距,旱盘过孔尺寸等参数都可以进行设定。
开关电源pcb设计规则
开关电源PCB设计规则是指在设计开关电源电路时,需要遵循的一些规则和原则,以确保PCB设计的质量和稳定性。
以下是一些常见的开关电源PCB设计规则:
1. 安全间距:为了防止电弧和机械故障,需要保持适当的安全间距。
例如,在高压和低压之间应保持足够的安全间距,通常为3mm 以上。
2. 分隔高低压:高压和低压部分的电路应该分隔开来,以避免高压对低压电路的干扰。
3. 接地:必须正确接地,以避免地面噪声和回路问题。
所有接地点都应连接到一个共同的接地平面或接地线。
4. 降噪和去耦电容:在电源输入处和电源输出处应添加合适的降噪和去耦电容,以提供稳定的电源和降低噪声。
5. 温度管理:考虑到开关电源的热量产生,需要设计散热器和散热路径,确保电路稳定运行并具有良好的散热性能。
6. 信号完整性:保持信号线的最短和最直接路径,以减少信号延迟和互相干扰。
7. 过流保护:设计过流保护电路,以避免电路过载和损坏。
8. PCB层序:根据电路的复杂性和特定要求,设计适当的PCB层序,以提供良好的屏蔽和隔离效果。
9. 元件布局:考虑到电路的稳定性和散热问题,合理布置元件,避免集中热源和元件之间的干扰。
10. 绝缘:在高压部分和低压部分需要做绝缘处理,以确保安全。
这些规则只是一些常见的指导原则,具体的规则和要求还取决于具体的开关电源设计和应用场景。
在设计时,还需要根据具体情况做出适当的调整和优化。
开关电源PCB设计原则及走线技巧一、引言开关电源是一种电压转换电路,主要的工作内容是升压和降压,广泛应用于现代电子产品。
因为开关三极管总是工作在“开”和“关”的状态,所以叫开关电源。
开关电源实质就是一个振荡电路,这种转换电能的方式,不仅应用在电源电路,在其它的电路应用也很普遍,如液晶显示器的背光电路、日光灯等。
开关电源与变压器相比具有效率高、稳性好、体积小等优点,缺点是功率相对较小,而且会对电路产生高频干扰,变压器反馈式振荡电路,能产生有规律的脉冲电流或电压的电路叫振荡电路,变压器反馈式振荡电路就是能满足这种条件的电路。
开关电源分为,隔离与非隔离两种形式,在这里主要谈一谈隔离式开关电源的拓扑形式,在下文中,非特别说明,均指隔离电源。
隔离电源按照结构形式不同,可分为两大类:正激式和反激式。
反激式指在变压器原边导通时副边截止,变压器储能。
原边截止时,副边导通,能量释放到负载的工作状态,一般常规反激式电源单管多,双管的不常见。
正激式指在变压器原边导通同时副边感应出对应电压输出到负载,能量通过变压器直接传递。
按规格又可分为常规正激,包括单管正激,双管正激。
半桥、桥式电路都属于正激电路。
正激和反激电路各有其特点,在设计电路的过程中为达到最优性价比,可以灵活运用。
一般在小功率场合可选用反激式。
稍微大一些可采用单管正激电路,中等功率可采用双管正激电路或半桥电路,低电压时采用推挽电路,与半桥工作状态相同。
大功率输出,一般采用桥式电路,低压也可采用推挽电路。
反激式电源因其结构简单,省掉了一个和变压器体积大小差不多的电感,而在中小功率电源中得到广泛的应用。
在有些介绍中讲到反激式电源功率只能做到几十瓦,输出功率超过100瓦就没有优势,实现起来有难度。
本人认为一般情况下是这样的,但也不能一概而论,PI公司的TOP芯片就可做到300瓦,有文章介绍反激电源可做到上千瓦,但没见过实物。
输出功率大小与输出电压高低有关。
反激电源变压器漏感是一个非常关键的参数,由于反激电源需要变压器储存能量,要使变压器铁芯得到充分利用,一般都要在磁路中开气隙,其目的是改变铁芯磁滞回线的斜率,使变压器能够承受大的脉冲电流冲击,而不至于铁芯进入饱和非线形状态,磁路中气隙处于高磁阻状态,在磁路中产生漏磁远大于完全闭合磁路。
开关电源的PCB设计规范在任何开关电源设计中,PCB板的物理设计都是最后一个环节,如果设计方法不当,PCB可能会辐射过多的电磁干扰,造成电源工作不稳定,以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:一、从原理图到PCB的设计流程建立元件参数->输入原理网表->设计参数设置->手工布局->手工布线->验证设计->复查->CAM输出.二、参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求,而且为了便于操作和生产,间距也应尽量宽些.最小间距至少要能适合承受的电压,在布线密度较低时,信号线的间距可适当地加大,对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距,一般情况下将走线间距设为8mil. 焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm,这样可以避免加工时导致焊盘缺损.当与焊盘连接的走线较细时,要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状,这样的好处是焊盘不容易起皮,而是走线与焊盘不易断开.三、元器件布局实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响.例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声;由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰,会使产品的性能下降,因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法.每一个开关电源都有四个电流回路: 1. 电源开关交流回路2. 输出整流交流回路3. 输入信号源电流回路4. 输出负载电流回路输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电,滤波电容主要起到一个宽带储能作用;类似地,输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量,同时消除输出负载回路的直流能量.所以,输入和输出滤波电容的接线端十分重要,输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源;如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连,交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去.电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流,这些电流中谐波成分很高,其频率远大于开关基频,峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍,过渡时间通常约为50ns.这两个回路最容易产生电磁干扰,因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路,每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置,调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短.建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似,最佳设计流程如下:·放置变压器·设计电源开关电流回路·设计输出整流器电流回路·连接到交流电源电路的控制电路·设计输入电流源回路和输入滤波器设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:1 首先要考虑PCB尺寸大小.PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小则散热不好,且邻近线条易受干扰.电路板的最佳形状矩形,长宽比为3:2或4:3,位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2mm.2 放置器件时要考虑以后的焊接,不要太密集.3 以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局.元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接, 去耦电容尽量靠近器件的VCC.4 在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数.一般电路应尽可能使元器件平行排列.这样,不但美观,而且装焊容易,易于批量生产.5 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向.6 布局的首要原则是保证布线的布通率,移动器件时注意飞线的连接,把有连线关系的器件放在一起.7 尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰.四、布线开关电源中包含有高频信号,PCB上任何印制线都可以起到天线的作用,印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗,从而影响频率响应.即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题甚至再次辐射出干扰信号.因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽,这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近.印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比,而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比.长度反映出印制线响应的波长,长度越长,印制线能发送和接收电磁波的频率越低,它就能辐射出更多的射频能量.根据印制线路板电流的大小,尽量加租电源线宽度,减少环路电阻. 同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力.接地是开关电源四个电流回路的底层支路,作为电路的公共参考点起着很重要的作用,它是控制干扰的重要方法.因此,在布局中应仔细考虑接地线的放置,将各种接地混合会造成电源工作不稳定.在地线设计中应注意以下几点:1. 正确选择单点接地通常,滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点,同一级电路的接地点应尽量靠近,并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上,主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的,因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而引入干扰.在本开关电源中,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而采用一点接地,即将电源开关电流回路中的几个器件的地线都连到接地脚上,输出整流器电流回路的几个器件的地线也同样接到相应的滤波电容的接地脚上,这样电源工作较稳定,不易自激.做不到单点时,在共地处接两二极管或一小电阻,其实接在比较集中的一块铜箔处就可以.2. 尽量加粗接地线若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏,因此要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线,尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:地线>电源线>信号线,如有可能,接地线的宽度应大于3mm,也可用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用.进行全局布线的时候,还须遵循以下原则:1.布线方向:从焊接面看,元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致,布线方向最好与电路图走线方向相一致,因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测,故这样做便于生产中的检查,调试及检修注:指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下.2.设计布线图时走线尽量少拐弯,印刷弧上的线宽不要突变,导线拐角应≥90度,力求线条简单明了.3.印刷电路中不允许有交叉电路,对于可能交叉的线条,可以用“钻”、“绕”两种办法解决.即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去,或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去,在特殊情况下如何电路很复杂,为简化设计也允许用导线跨接,解决交叉电路问题.因采用单面板,直插元件位于top面,表贴器件位于bottom 面,所以在布局的时候直插器件可与表贴器件交叠,但要避免焊盘重叠. 3.输入地与输出地本开关电源中为低压的DC-DC,欲将输出电压反馈回变压器的初级,两边的电路应有共同的参考地,所以在对两边的地线分别铺铜之后,还要连接在一起,形成共同的地.五、检查布线设计完成后,需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则,同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求,一般检查线与线、线与元件焊盘、线与贯通孔、元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理,是否满足生产要求. 电源线和地线的宽度是否合适,在PCB中是否还有能让地线加宽的地方.注意:有些错误可以忽略,例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外,检查间距时会出错;另外每次修改过走线和过孔之后,都要重新覆铜一次.六、复查根据“PCB检查表”,内容包括设计规则,层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置,还要重点复查器件布局的合理性,电源、地线网络的走线,高速时钟网络的走线与屏蔽,去耦电容的摆放和连接等.七、设计输出输出光绘文件的注意事项:a. 需要输出的层有布线层底层、丝印层包括顶层丝印、底层丝印、阻焊层底层阻焊、钻孔层底层,另外还要生成钻孔文件NC Drillb. 设置丝印层的Layer时,不要选择Part Type,选择顶层底层和丝印层的Outline、Text、Linec. 在设置每层的Layer时,将Board Outline选上,设置丝印层的Layer时,不要选择Part Type,选择顶层底层和丝印层的Outline、Text、Line.d. 生成钻孔文件时,使用PowerPCB的缺省设置,不要作任何改.。
开关电源PCB设计技巧和电气安全规范在任何开关电源设计中,PCB板的物理设计都是最后一个环节,如果设计方法不当,PCB可能会辐射过多的电磁干扰,造成电源工作不稳定,以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:一、从原理图到PCB的设计流程建立元件参数->输入原理网表->设计参数设置->手工布局->手工布线->验证设计->复查->CAM输出。
二、参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求,而且为了便于操作和生产,间距也应尽量宽些。
最小间距至少要能适合承受的电压,在布线密度较低时,信号线的间距可适当地加大,对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距,一般情况下将走线间距设为8mil。
焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm,这样可以避免加工时导致焊盘缺损。
当与焊盘连接的走线较细时,要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状,这样的好处是焊盘不容易起皮,而是走线与焊盘不易断开。
如图:三、元器件布局实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响。
例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声;由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰,会使产品的性能下降,因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法。
每一个开关电源都有四个电流回路:(1). 电源开关交流回路(2). 输出整流交流回路(3). 输入信号源电流回路(4). 输出负载电流回路输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电,滤波电容主要起到一个宽带储能作用;类似地,输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量,同时消除输出负载回路的直流能量。
所以,输入和输出滤波电容的接线端十分重要,输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源;如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连,交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。
开关电源的PCB布线设计要点1. 引言开关电源是广泛应用于各种电子设备中的一种电源类型,通过开关器件的开关操作实现输入电压到输出电压的变换。
在开关电源的设计过程中,PCB布线的合理设计非常重要,它直接影响着开关电源的性能和可靠性。
本文将介绍开关电源的PCB布线设计要点,帮助设计工程师充分了解开关电源布线设计的关键问题和技巧。
2. PCB布线设计概述PCB布线设计是指将电路连接到PCB上的过程。
开关电源的PCB 布线设计需要考虑以下几个方面:•信号完整性:保证信号传输的稳定性和准确性;•电磁兼容性:减少电磁干扰和提高抗干扰能力;•散热性能:确保开关电源的散热效果良好;•电流回流:合理安排电流回流路径,避免电流集中引起压降过大;•电源分布:优化电源分布,确保各部分电源供应稳定。
下面将从这几个方面详细说明开关电源的PCB布线设计要点。
3. 信号完整性在开关电源的PCB布线设计中,要注意以下几个方面以保证信号完整性:3.1 传输线长度和走向对于高速信号线,应尽量缩短传输线的长度,减少信号的传输延迟和功率损耗。
此外,还需要注意布线时信号线的走向,尽量避免信号线与干扰源的相交和平行布线。
3.2 地线和电源线布局合理布置地线和电源线可以有效降低地回路的电流噪声和电源噪声。
地线和电源线尽量平行布置,并使用大面积的跳线或地线分布可减少回流电流的影响。
3.3 地孔和绕线对于高频信号,应在信号线的连接位置加入地孔,以提高信号的接地效果。
对于较长的信号线,可采用绕线的方式来缩短信号路径,减小信号传输时延。
4. 电磁兼容性开关电源的PCB布线设计要考虑电磁兼容性,以减少电磁辐射和提高抗干扰能力。
4.1 地平面和分割在PCB布线设计中,应尽量保持完整的地平面,减少地回路的面积。
若需要隔离地面,可采用分割地面的方式,以提高电磁屏蔽的效果。
4.2 信号线走向和布线为降低电磁辐射和提高抗干扰能力,信号线尽量与干扰源的走向垂直布线。
开关电源PCB设计要求
开关电源是一种电子电源设备,用于将电源输入变换为特定电压、电
流或功率的输出。
PCB(Printed Circuit Board)则是开关电源的基本组
成部分,用于连接和支持开关电源的各个电子元件。
开关电源PCB设计对
于整个设备的性能和可靠性至关重要。
以下是开关电源PCB设计的一些重
要要求。
1.适配性:
2.布局和层次:
3.热管理:
开关电源通常会产生较大的热量,因此PCB设计必须考虑到热的排散。
在设计阶段应确定散热器的位置和尺寸,并优化散热路径,以确保设备工
作在安全的温度范围内。
4.电源轨迹:
应确保电源轨迹的短且低阻抗,以减少电压降和电源波动。
电源轨迹
也应与地轨迹分离,以减少互相干扰。
此外,应在电源轨迹上增加滤波电容,以降低噪声。
5.输入和输出滤波:
6.信号完整性:
7.EMC兼容性:
8.可维护性:
9.安全性:
总结:
开关电源PCB设计对于设备的性能和可靠性起着重要的作用。
在设计开关电源PCB时,需要考虑适配性、布局和层次、热管理、电源轨迹、输入和输出滤波、信号完整性、EMC兼容性、可维护性和安全性等要求。
理解并遵循这些设计要求将有助于确保开关电源PCB设计的质量和可靠性。
开关电源的PCB布线要求开关电源是一种常见的电源之一。
在集成电路的建设中,PCB布线设计是非常重要的,因为合理的PCB布线设计可以大大提高电路的稳定性和可靠性。
特别是在开关电源中,良好的PCB布线设计可以保证电源的性能表现。
因此,本文将介绍开关电源的PCB布线要求。
1. 开关电源PCB布线的基本原则布线设计应遵循以下原则:最短距离布线、线路走向自然、防止串信和互相干扰、保证信号传输质量、减少交叉、噪声与干扰。
开关电源的PCB布线应遵循其工作原理和特征。
因此,布线应考虑以下几个方面:(1)控制单元和功率单元之间的布线开关电源中,控制单元和功率单元之间的布线最好采用双面铜箔。
两面分别贴附于不同的电路板侧面,通过足够的接地区域将控制单元与功率单元连接起来。
此外,控制单元和功率单元之间的布线应避免走近其他信号线,以减少干扰和噪声。
(2)开关管的布局在开关电源的设计中,布置开关管时,应考虑其焊盘的布局,避免电容器等元器件太近,导致开关管与其他元器件之间出现串扰和互相干扰的情况。
同时,开关管布线的电感应该保持足够小,以减少噪声的产生。
(3)输入输出滤波在开关电源中,输入和输出滤波电容应布置在尽可能近的地方,以便缩短电流路径,减小共模噪声,提高抗干扰性。
2. 开关电源PCB布线的具体实现(1)输出过滤电路的布置在开关电源中,输出过滤电容(Cout)、输出电感(LOut)和输出短路电菩(Rout)等元件构成的过滤电路主要是为了抵抗输出端的高频噪声,因此应尽可能在开关管的输出端背面布置上述元件,并较短距离地接线连接一起。
为进一步减小信号在跑动过程中的干扰,如条件允许可以考虑在输出位置借助Lcl滤波来过滤掉高频扰动。
(2)高频降噪电阻的布置在高频降噪电阻(RF)的布置中,为了规避开关管;管贞周围存在的两对互相耦合的集成电路阻抗,对RF电阻的参考铺方式有两种形式,具体布置如下。
(3)控制电路的布置控制电路包括开关电源脉宽调制芯片、反馈电路、保险丝、脉冲变压器等基本单元,其布置和连线应符合以下要求:a. 脉宽调制控制芯片应该在布局与连接两方面得到考虑,控制芯片两侧的布局以及自身内部元器件布局一定要工整、规整、紧凑,以避免噪声的干扰和影响;b. 比较器反馈电路应布置在控制芯片上,以尽可能减少反馈信号跑动的距离和串扰的影响;c. 连接在主电路和控制电路间的脉冲变压器电路应该收紧磁感线,保证高频信号附着到比较器变化的上升沿或下降沿。
在任何开关电源设计中,PCB板的物理设计都是最后一个环节,如果设计方法不当,PCB可能会辐射过多的电磁干扰,造成电源工作不稳定,以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:一、从原理图到PCB的设计流程建立元件参数->输入原理网表->设计参数设置->手工布局->手工布线->验证设计->复查->CAM输出。
二、参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求,而且为了便于操作和生产,间距也应尽量宽些。
最小间距至少要能适合承受的电压,在布线密度较低时,信号线的间距可适当地加大,对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距,一般情况下将走线间距设为8mil。
焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm,这样可以避免加工时导致焊盘缺损。
当与焊盘连接的走线较细时,要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状,这样的好处是焊盘不容易起皮,而是走线与焊盘不易断开。
三、元器件布局实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响。
例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声;由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰,会使产品的性能下降,因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法。
每一个开关电源都有四个电流回路:(1). 电源开关交流回路(2). 输出整流交流回路(3). 输入信号源电流回路(4). 输出负载电流回路输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电,滤波电容主要起到一个宽带储能作用;类似地,输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量,同时消除输出负载回路的直流能量。
所以,输入和输出滤波电容的接线端十分重要,输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源;如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连,交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。
电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流,这些电流中谐波成分很高,其频率远大于开关基频,峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍,过渡时间通常约为50ns。
开关电源PCB设计要点PCB设计是开关电源设计非常重要的一步,对电源的电性能、EMC、可靠性、可生产性都有关联。
当前开关电源的功率密度越来越高,对PCB布局、布线的要求也越发严格,合理科学的PCB设计让电源开发事半功倍,以下细节供您参考。
一、布局要求PCB布局是比较讲究的,不是说随便放上去,挤得下就完事的。
一般PCB布局要遵循几点:1、布局的首要原则是保证布线的布通率,移动器件时注意飞线的连接,把有连线关系的器件放在一起。
2、以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。
元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB电路板上,这样,不但美观,而且装焊容易,易于批量生产。
尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接;振荡电路,滤波去耦电容要紧靠近IC,地线要短,如图1所示。
图13、放置器件时要考虑以后的焊接和维修,两个高度高的元件之间尽量避免放置矮小的元件,如图2所示,这样不利于生产和维护,元件之间最好也不要太密集,但是随着电子技术的发展,现在的开关电源越来越趋于小型化和紧凑化,所以就需要平衡好两者之间的度了,既要方便焊装与维护又要兼顾紧凑。
还有就是要考虑实际的贴片加工能力,按照IPC-A-610E的标准,考虑元件侧面偏移的精度,不然容易造成元件之间连锡,甚至由于元件偏移造成元件距离不够。
图24、光电耦合器件和电流采样电路,容易被干扰,应远离强电场、强磁场器件,如大电流走线、变压器、高电位脉动器件等。
5、元件布局的时候,要优先考虑高频脉冲电流和大电流的环路面积,尽可能地减小,以抑制开关电源的辐射干扰。
如图3所示的几个电流环路是需要特别注意的。
图36、高频脉冲电流流过的区域要远离输入、输出端子,使噪声源远离输入、输出口,有利于提高EMC性能。
图4如图4所示,左图变压器离入口太近,电磁的辐射能量直接作用于输入输出端,因此,EMI测试不通过。
改为右边的方式后,变压器远离入口,电磁的辐射能量距输入输出端距离加大,效果改善明显,EMI测试通过。
开关电源的PCB设计规范
在任何开关电源设计中,PCB板的物理设计都是最后一个环节,如果设计方法不当,PCB可能会辐射过多的电磁干扰,造成电源工作不稳定,以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:
一、从原理图到PCB的设计流程
建立元件参数->输入原理网表->设计参数设置->手工布局->手工布线->验证设计->复查
->CAM输出.
二、参数设置
相邻导线间距必须能满足电气安全要求,而且为了便于操作和生产,间距也应尽量宽些.最小间距至少要能适合承受的电压,在布线密度较低时,信号线的间距可适当地加大,对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距,一般情况下将走线间距设为8mil.
焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm,这样可以避免加工时导致焊盘缺损.当与焊盘连接的走线较细时,要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状,这样的好处是焊盘不容易起皮,而是走线与焊盘不易断开.
三、元器件布局
实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响.例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终
端形成反射噪声;由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰,会使产品的性能下降,因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法.
每一个开关电源都有四个电流回路:
(1). 电源开关交流回路
(2). 输出整流交流回路
(3). 输入信号源电流回路
(4). 输出负载电流回路
输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电,滤波电容主要起到一个宽带储能作用;
类似地,输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量,同时消除输出负载回路的直
流能量.所以,输入和输出滤波电容的接线端十分重要,输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源;如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连,交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去.
电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流,这些电流中谐波成分很高,其频
率远大于开关基频,峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍,过渡时间通常约为
50ns.这两个回路最容易产生电磁干扰,因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路,每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置,调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短.
建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似,最佳设计流程如下:
·放置变压器
·设计电源开关电流回路
·设计输出整流器电流回路
·连接到交流电源电路的控制电路
·设计输入电流源回路和输入滤波器
设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:
(1) 首先要考虑PCB尺寸大小.PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小则散热不好,且邻近线条易受干扰.电路板的最佳形状矩形,长宽比为3:2或4:3,位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2mm.
(2) 放置器件时要考虑以后的焊接,不要太密集.
(3) 以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局.元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接, 去耦电容尽量靠近器件的VCC.
(4) 在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数.一般电路应尽可能使元器件平行排列.这样,不但美观,而且装焊容易,易于批量生产.
(5) 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向.
(6) 布局的首要原则是保证布线的布通率,移动器件时注意飞线的连接,把有连线关系的器件放在一起.
(7) 尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰.
四、布线
开关电源中包含有高频信号,PCB上任何印制线都可以起到天线的作用,印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗,从而影响频率响应.即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号).因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽,这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近.印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比,而宽度则与印制线的电
感量和阻抗成反比.长度反映出印制线响应的波长,长度越长,印制线能发送和接收电磁波的频率越低,它就能辐射出更多的射频能量.根据印制线路板电流的大小,尽量加租电源线宽度,减少环路电阻. 同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力.
接地是开关电源四个电流回路的底层支路,作为电路的公共参考点起着很重要的作用,它是
控制干扰的重要方法.因此,在布局中应仔细考虑接地线的放置,将各种接地混合会造成电源工作不稳定.在地线设计中应注意以下几点:
1. 正确选择单点接地
通常,滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点,同一级电路
的接地点应尽量靠近,并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上,主要是考虑电
路各部分回流到地的电流是变化的,因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而引入干扰.
在本开关电源中,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而采用一点接地,即将电源开关电流回路 (中的几个器件的地线都连到接地脚上,输出整流器电流回路的几个器件的地线也同样接到相应的滤波电容的接地脚上,这样电源工作较稳定,不易自激.做不到单点时,在共地处接两二极管或一小电阻,其实接在比较集中的一块
铜箔处就可以.
2. 尽量加粗接地线
若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏,因此要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线,尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:地线>电源线>信号线,如有可能,接地线的宽度应大于3mm,也可用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用.
进行全局布线的时候,还须遵循以下原则:
(1).布线方向:从焊接面看,元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致,布线方向最好与电路图走线方向相一致,因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测,故这样做便于
生产中的检查,调试及检修(注:指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下).
(2).设计布线图时走线尽量少拐弯,印刷弧上的线宽不要突变,导线拐角应≥90度,力求线条简单明了.
(3).印刷电路中不允许有交叉电路,对于可能交叉的线条,可以用“钻”、“绕”两种办法解决.即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去,或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去,在特殊情况下如何电路很复杂,为简化设计也允许用导线跨接,解决交叉电路问题.因采用单面板,直插元件位于top面,表贴器件位于bottom面,所以在布局的时候直插器件可与表贴器件交叠,但要避免焊盘重叠.
3.输入地与输出地
本开关电源中为低压的DC-DC,欲将输出电压反馈回变压器的初级,两边的电路应有共同的参考地,所以在对两边的地线分别铺铜之后,还要连接在一起,形成共同的地.
五、检查
布线设计完成后,需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则,同时也需确认所制定
的规则是否符合印制板生产工艺的需求,一般检查线与线、线与元件焊盘、线与贯通孔、元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理,是否满足生产要求. 电源线和地线的宽度是否合适,在PCB中是否还有能让地线加宽的地方.
注意: 有些错误可以忽略,例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外,检查间距时会出错;另外每次修改过走线和过孔之后,都要重新覆铜一次.
六、复查
根据“PCB检查表”,内容包括设计规则,层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置,还要重点复查器件布局的合理性,电源、地线网络的走线,高速时钟网络的走线与屏蔽,去耦电容的摆放和连接等.
七、设计输出
输出光绘文件的注意事项:
a. 需要输出的层有布线层(底层) 、丝印层(包括顶层丝印、底层丝印)、阻焊层(底层阻焊)、钻孔层(底层),另外还要生成钻孔文件(NC Drill)
b. 设置丝印层的Layer时,不要选择Part Type,选择顶层(底层)和丝印层的Outline、Text、Line
c. 在设置每层的Layer时,将Board Outline选上,设置丝印层的Layer时,不要选择Part Type,选择顶层(底层)和丝印层的Outline、Text、Line.
d. 生成钻孔文件时,使用PowerPCB的缺省设置,不要作任何改动。