關於開關電源設計中PCB板的物理設計
發布時間:2012-10-29 責任編輯:Lynnjiao
【導讀】在開關電源設計中PCB板的物理設計都是最後一個環節,如果設計方法不當,PCB可能會輻射過多的電磁幹擾,造成電源工作不穩定。
一、從原理圖到PCB的設計流程
建立元件參數-》輸入原理網表-》設計參數設置-》手工布局-》手工布線-》驗證設計-》複查-》CAM輸出。
二、元器件布局
實(shi)踐(jian)證(zheng)明(ming),即(ji)使(shi)電(dian)路(lu)原(yuan)理(li)圖(tu)設(she)計(ji)正(zheng)確(que),印(yin)製(zhi)電(dian)路(lu)板(ban)設(she)計(ji)不(bu)當(dang),也(ye)會(hui)對(dui)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)產(chan)生(sheng)不(bu)利(li)影(ying)響(xiang)。例(li)如(ru),如(ru)果(guo)印(yin)製(zhi)板(ban)兩(liang)條(tiao)細(xi)平(ping)行(xing)線(xian)靠(kao)得(de)很(hen)近(jin),則(ze)會(hui)形(xing)成(cheng)信(xin)號(hao)波(bo)形(xing)的(de)延(yan)遲(chi),在(zai)傳(chuan)輸(shu)線(xian)的(de)終(zhong)端(duan)形(xing)成(cheng)反(fan)射(she)噪(zao)聲(sheng);由於電源、地(di)線(xian)的(de)考(kao)慮(lv)不(bu)周(zhou)到(dao)而(er)引(yin)起(qi)的(de)幹(gan)擾(rao),會(hui)使(shi)產(chan)品(pin)的(de)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang),因(yin)此(ci),在(zai)設(she)計(ji)印(yin)製(zhi)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)時(shi)候(hou),應(ying)注(zhu)意(yi)采(cai)用(yong)正(zheng)確(que)的(de)方(fang)法(fa)。每(mei)一(yi)個(ge)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)都(dou)有(you)四(si)個(ge)電(dian)流(liu)回(hui)路(lu):
(1) 電源開關交流回路
(2) 輸出整流交流回路
(3) 輸入信號源電流回路
(4) 輸出負載電流回路輸入回路
通過一個近似直流的電流對輸入電容充電,濾波電容主要起到一個寬帶儲能作用;leisidi,shuchulvbodianrongyeyonglaichucunlaizishuchuzhengliuqidegaopinnengliang,tongshixiaochushuchufuzaihuiludezhiliunengliang。suoyi,shuruheshuchulvbodianrongdejiexianduanshifenzhongyao,shurujishuchudianliuhuiluyingfenbiezhiconglvbodianrongdejiexianduanlianjiedaodianyuan;如果在輸入/輸出回路和電源開關/整流回路之間的連接無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並輻射到環境中去。
電dian源yuan開kai關guan交jiao流liu回hui路lu和he整zheng流liu器qi的de交jiao流liu回hui路lu包bao含han高gao幅fu梯ti形xing電dian流liu,這zhe些xie電dian流liu中zhong諧xie波bo成cheng分fen很hen高gao,其qi頻pin率lv遠yuan大da於yu開kai關guan基ji頻pin,峰feng值zhi幅fu度du可ke高gao達da持chi續xu輸shu入ru/輸出直流電流幅度的5倍,過渡時間通常約為50ns。
這兩個回路最容易產生電磁幹擾,因此必須在電源中其它印製線布線之前先布好這些交流回路,每個回路的三種主要的元件濾波電容、電源開關或整流器、電dian感gan或huo變bian壓ya器qi應ying彼bi此ci相xiang鄰lin地di進jin行xing放fang置zhi,調tiao整zheng元yuan件jian位wei置zhi使shi它ta們men之zhi間jian的de電dian流liu路lu徑jing盡jin可ke能neng短duan。建jian立li開kai關guan電dian源yuan布bu局ju的de最zui好hao方fang法fa與yu其qi電dian氣qi設she計ji相xiang似si,最zui佳jia設she計ji流liu程cheng如ru下xia:
放置變壓器
設計電源開關電流回路
設計輸出整流器電流回路
連接到交流電源電路的控製電路
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行布局時,要符合以下原則:
(1) 首先要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時,印製線條長,阻抗增加,抗噪聲能力下降,成本也增加;過小則散熱不好,且鄰近線條易受幹擾。電路板的最佳形狀矩形,長寬比為3:2或4:3,位於電路板邊緣的元器件,離電路板邊緣一般不小於2mm。
(2) 放置器件時要考慮以後的焊接,不要太密集。
(3) 以每個功能電路的核心元件為中心,圍繞它來進行布局。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和連接, 去耦電容盡量靠近器件的VCC。
(4) zaigaopinxiagongzuodedianlu,yaokaolvyuanqijianzhijiandefenbucanshu。yibandianluyingjinkenengshiyuanqijianpingxingpailie。zheyang,budanmeiguan,erqiezhuanghanrongyi,yiyupiliangshengchan。
(5) 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置,使布局便於信號流通,並使信號盡可能保持一致的方向。
(6) 布局的首要原則是保證布線的布通率,移動器件時注意飛線的連接,把有連線關係的器件放在一起。
(7) 盡可能地減小環路麵積,以抑製開關電源的輻射幹擾。
三、參數設置
相xiang鄰lin導dao線xian間jian距ju必bi須xu能neng滿man足zu電dian氣qi安an全quan要yao求qiu,而er且qie為wei了le便bian於yu操cao作zuo和he生sheng產chan,間jian距ju也ye應ying盡jin量liang寬kuan些xie。最zui小xiao間jian距ju至zhi少shao要yao能neng適shi合he承cheng受shou的de電dian壓ya,在zai布bu線xian密mi度du較jiao低di時shi,信xin號hao線xian的de間jian距ju可ke適shi當dang地di加jia大da,對dui高gao、低電平懸殊的信號線應盡可能地短且加大間距,一般情況下將走線間距設為8mil。
焊盤內孔邊緣到印製板邊的距離要大於1mm,這zhe樣yang可ke以yi避bi免mian加jia工gong時shi導dao致zhi焊han盤pan缺que損sun。當dang與yu焊han盤pan連lian接jie的de走zou線xian較jiao細xi時shi,要yao將jiang焊han盤pan與yu走zou線xian之zhi間jian的de連lian接jie設she計ji成cheng水shui滴di狀zhuang,這zhe樣yang的de好hao處chu是shi焊han盤pan不bu容rong易yi起qi皮pi,而er是shi走zou線xian與yu焊han盤pan不bu易yi斷duan開kai。
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四、布線
開關電源中包含有高頻信號,PCBshangrenheyinzhixiandoukeyiqidaotianxiandezuoyong,yinzhixiandechangduhekuanduhuiyingxiangqizukanghegankang,congeryingxiangpinlvxiangying。jishishitongguozhiliuxinhaodeyinzhixianyehuiconglinjindeyinzhixianouhedaoshepinxinhaobingzaochengdianluwenti(甚至再次輻射出幹擾信號)。yinciyingjiangsuoyoutongguojiaoliudianliudeyinzhixianshejidejinkenengduanerkuan,zheyiweizhebixujiangsuoyoulianjiedaoyinzhixianhelianjiedaoqitadianyuanxiandeyuanqijianfangzhidehenjin。
印yin製zhi線xian的de長chang度du與yu其qi表biao現xian出chu的de電dian感gan量liang和he阻zu抗kang成cheng正zheng比bi,而er寬kuan度du則ze與yu印yin製zhi線xian的de電dian感gan量liang和he阻zu抗kang成cheng反fan比bi。長chang度du反fan映ying出chu印yin製zhi線xian響xiang應ying的de波bo長chang,長chang度du越yue長chang,印yin製zhi線xian能neng發fa送song和he接jie收shou電dian磁ci波bo的de頻pin率lv越yue低di,它ta就jiu能neng輻fu射she出chu更geng多duo的de射she頻pin能neng量liang。根gen據ju印yin製zhi線xian路lu板ban電dian流liu的de大da小xiao,盡jin量liang加jia租zu電dian源yuan線xian寬kuan度du,減jian少shao環huan路lu電dian阻zu。 同時、使電源線、地(di)線(xian)的(de)走(zou)向(xiang)和(he)電(dian)流(liu)的(de)方(fang)向(xiang)一(yi)致(zhi),這(zhe)樣(yang)有(you)助(zhu)於(yu)增(zeng)強(qiang)抗(kang)噪(zao)聲(sheng)能(neng)力(li)。接(jie)地(di)是(shi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)四(si)個(ge)電(dian)流(liu)回(hui)路(lu)的(de)底(di)層(ceng)支(zhi)路(lu),作(zuo)為(wei)電(dian)路(lu)的(de)公(gong)共(gong)參(can)考(kao)點(dian)起(qi)著(zhe)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong),它(ta)是(shi)控(kong)製(zhi)幹(gan)擾(rao)的(de)重(zhong)要(yao)方(fang)法(fa)。
因此,在布局中應仔細考慮接地線的放置,將各種接地混合會造成電源工作不穩定。
在地線設計中應注意以下幾點:
1. zhengquexuanzedandianjieditongchang,lvbodianronggonggongduanyingshiqitadejiedidianouhedaodadianliudejiaoliudideweiyilianjiedian,tongyijidianludejiedidianyingjinliangkaojin,bingqiebenjidianludedianyuanlvbodianrongyeyingjiezaigaijijiedidianshang,zhuyaoshikaolvdianlugebufenhuiliudaodidedianliushibianhuade,yinshijiliuguodexianludezukanghuidaozhidianlugebufendidianweidebianhuaeryinruganrao。zaibenkaiguandianyuanzhong,tadebuxianheqijianjiandedianganyingxiangjiaoxiao,erjiedidianluxingchengdehuanliuduiganraoyingxiangjiaoda,yinercaiyongyidianjiedi,jijiangdianyuankaiguandianliuhuilu (中(zhong)的(de)幾(ji)個(ge)器(qi)件(jian)的(de)地(di)線(xian)都(dou)連(lian)到(dao)接(jie)地(di)腳(jiao)上(shang),輸(shu)出(chu)整(zheng)流(liu)器(qi)電(dian)流(liu)回(hui)路(lu)的(de)幾(ji)個(ge)器(qi)件(jian)的(de)地(di)線(xian)也(ye)同(tong)樣(yang)接(jie)到(dao)相(xiang)應(ying)的(de)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)的(de)接(jie)地(di)腳(jiao)上(shang),這(zhe)樣(yang)電(dian)源(yuan)工(gong)作(zuo)較(jiao)穩(wen)定(ding),不(bu)易(yi)自(zi)激(ji)。做(zuo)不(bu)到(dao)單(dan)點(dian)時(shi),在(zai)共(gong)地(di)處(chu)接(jie)兩(liang)二(er)極(ji)管(guan)或(huo)一(yi)小(xiao)電(dian)阻(zu),其(qi)實(shi)接(jie)在(zai)比(bi)較(jiao)集(ji)中(zhong)的(de)一(yi)塊(kuai)銅(tong)箔(bo)處(chu)就(jiu)可(ke)以(yi)。
2. 盡量加粗接地線 若ruo接jie地di線xian很hen細xi,接jie地di電dian位wei則ze隨sui電dian流liu的de變bian化hua而er變bian化hua,致zhi使shi電dian子zi設she備bei的de定ding時shi信xin號hao電dian平ping不bu穩wen,抗kang噪zao聲sheng性xing能neng變bian壞huai,因yin此ci要yao確que保bao每mei一yi個ge大da電dian流liu的de接jie地di端duan采cai用yong盡jin量liang短duan而er寬kuan的de印yin製zhi線xian,盡jin量liang加jia寬kuan電dian源yuan、地線寬度,最好是地線比電源線寬,它們的關係是:地線>電源線>信號線,如有可能,接地線的寬度應大於3mm,也可用大麵積銅層作地線用,在印製板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。進行全局布線的時候,還須遵循以下原則:
(1)。布線方向:從cong焊han接jie麵mian看kan,元yuan件jian的de排pai列lie方fang位wei盡jin可ke能neng保bao持chi與yu原yuan理li圖tu相xiang一yi致zhi,布bu線xian方fang向xiang最zui好hao與yu電dian路lu圖tu走zou線xian方fang向xiang相xiang一yi致zhi,因yin生sheng產chan過guo程cheng中zhong通tong常chang需xu要yao在zai焊han接jie麵mian進jin行xing各ge種zhong參can數shu的de檢jian測ce,故gu這zhe樣yang做zuo便bian於yu生sheng產chan中zhong的de檢jian查zha,調tiao試shi及ji檢jian修xiu(注:指在滿足電路性能及整機安裝與麵板布局要求的前提下)。
(2)。設計布線圖時走線盡量少拐彎,印刷弧上的線寬不要突變,導線拐角應≥90度,力求線條簡單明了。
(3)。印刷電路中不允許有交叉電路,對於可能交叉的線條,可以用“鑽”、“繞”兩種辦法解決。即讓某引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處“鑽”過去,或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去,在特殊情況下如何電路很複雜,為簡化設計也允許用導線跨接,解決交叉電路問題。因采用單麵板,直插元件位於top麵,表貼器件位於bottom麵,所以在布局的時候直插器件可與表貼器件交疊,但要避免焊盤重疊。
3.輸入地與輸出地本開關電源中為低壓的DC-DC,欲yu將jiang輸shu出chu電dian壓ya反fan饋kui回hui變bian壓ya器qi的de初chu級ji,兩liang邊bian的de電dian路lu應ying有you共gong同tong的de參can考kao地di,所suo以yi在zai對dui兩liang邊bian的de地di線xian分fen別bie鋪pu銅tong之zhi後hou,還hai要yao連lian接jie在zai一yi起qi,形xing成cheng共gong同tong的de地di。
五、檢查
布(bu)線(xian)設(she)計(ji)完(wan)成(cheng)後(hou),需(xu)認(ren)真(zhen)檢(jian)查(zha)布(bu)線(xian)設(she)計(ji)是(shi)否(fou)符(fu)合(he)設(she)計(ji)者(zhe)所(suo)製(zhi)定(ding)的(de)規(gui)則(ze),同(tong)時(shi)也(ye)需(xu)確(que)認(ren)所(suo)製(zhi)定(ding)的(de)規(gui)則(ze)是(shi)否(fou)符(fu)合(he)印(yin)製(zhi)板(ban)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)的(de)需(xu)求(qiu),一(yi)般(ban)檢(jian)查(zha)線(xian)與(yu)線(xian)、線與元件焊盤、線與貫通孔、元件焊盤與貫通孔、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,檢查間距時會出錯;另外每次修改過走線和過孔之後,都要重新覆銅一次。
六、複查根據“PCB檢查表”,內容包括設計規則,層定義、線寬、間距、焊盤、過孔設置,還要重點複查器件布局的合理性,電源、地線網絡的走線,高速時鍾網絡的走線與屏蔽,去耦電容的擺放和連接等。
七、設計輸出 輸出光繪文件的注意事項:
a. 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)、鑽孔層(底層),另外還要生成鑽孔文件(NC Drill)
b. 設置絲印層的Layer時,不要選擇Part Type,選擇頂層(底層)和絲印層的Outline、Text、Linec. 在設置每層的Layer時,將Board Outline選上,設置絲印層的Layer時,不要選擇Part Type,選擇頂層(底層)和絲印層的Outline、Text、Line。d. 生成鑽孔文件時,使用PowerPCB的缺省設置,不要作任何改。
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