淺析電源PCB設(shè)計(jì)流程及要點(diǎn)

電源設(shè)計(jì)的目的不僅僅是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。電源的功能是以正確的電壓和電流向電路元件提供給電力。未來(lái)電壓低至1.8和1.2V器件還是會(huì)比較常見(jiàn)。畢竟低電壓對(duì)電源噪聲的容忍度比較低。

電源還需要電流限制來(lái)限制最大電流。因此電源的重要參數(shù)是電壓、最大電流、電壓紋波和最大電流時(shí)的熱損耗。

電源PCB設(shè)計(jì)流程及要點(diǎn)全解析

一、 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(xiàn)-》驗(yàn)證設(shè)計(jì)-》復(fù)查-》CAM輸出。

二、 參數(shù)設(shè)置

相鄰導(dǎo)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(yīng)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(hào)線(xiàn)的間距可適當(dāng)?shù)丶哟?，?duì)高、低電平懸殊的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)盡可能地短且加大間距，一般情況下將走線(xiàn)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(xiàn)較細(xì)時(shí)，要將焊盤(pán)與走線(xiàn)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(xiàn)與焊盤(pán)不易斷開(kāi)。

三、 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(xiàn)靠得很近，則會(huì)形成信號(hào)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(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：

(1)電源開(kāi)關(guān)交流回路

(2)輸出整流交流回路

(3)輸入信號(hào)源電流回路

(4)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(lèi)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(xiàn)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(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(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(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(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：

(1) 首先要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線(xiàn)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(xiàn)條易受干擾。電路板的最佳形狀矩形，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。

(2) 放置器件時(shí)要考慮以后的焊接，不要太密集。

(3) 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(xiàn)和連接， 去耦電容盡量靠近器件的VCC

(4) 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)。

(5) 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。

(6) 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。

(7) 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。

四、布線(xiàn)

開(kāi)關(guān)電源中包含有高頻信號(hào)，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(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(xiàn)也會(huì)從鄰近的印制線(xiàn)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(xiàn)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(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(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(xiàn)的電感量和阻抗成反比。長(zhǎng)度反映出印制線(xiàn)響應(yīng)的波長(zhǎng)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(jù)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(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(xiàn)的放置，將各種接地混合會(huì)造成電源工作不穩(wěn)定。

在地線(xiàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn) ：

1、正確選擇單點(diǎn)接地通常，濾波電容公共端應(yīng)是其它的接地點(diǎn)耦合到大電流的交流地的唯一連接點(diǎn)，同一級(jí)電路的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近，并且本級(jí)電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級(jí)接地點(diǎn)上，主要是考慮電路各部分回流到地的電流是變化的，因?qū)嶋H流過(guò)的線(xiàn)路的阻抗會(huì)導(dǎo)致電路各部分地電位的變化而引入干擾。在本開(kāi)關(guān)電源中，它的布線(xiàn)和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而采用一點(diǎn)接地，即將電源開(kāi)關(guān)電流回路 (中的幾個(gè)器件的地線(xiàn)都連到接地腳上，輸出整流器電流回路的幾個(gè)器件的地線(xiàn)也同樣接到相應(yīng)的濾波電容的接地腳上，這樣電源工作較穩(wěn)定，不易自激。做不到單點(diǎn)時(shí)，在共地處接兩二極管或一小電阻，其實(shí)接在比較集中的一塊銅箔處就可以。

2、 盡量加粗接地線(xiàn) 若接地線(xiàn)很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞，因此要確保每一個(gè)大電流的接地端采用盡量短而寬的印制線(xiàn)，盡量加寬電源、地線(xiàn)寬度，最好是地線(xiàn)比電源線(xiàn)寬，它們的關(guān)系是：地線(xiàn)>電源線(xiàn)>信號(hào)線(xiàn)，如有可能，接地線(xiàn)的寬度應(yīng)大于3mm，也可用大面積銅層作地線(xiàn)用，在印制板上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線(xiàn)用。進(jìn)行全局布線(xiàn)的時(shí)候，還須遵循以下原則

開(kāi)關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)技巧和電氣安全規(guī)范

(1)布線(xiàn)方向：從焊接面看，元件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致，布線(xiàn)方向最好與電路圖走線(xiàn)方向相一致，因生產(chǎn)過(guò)程中通常需要在焊接面進(jìn)行各種參數(shù)的檢測(cè)，故這樣做便于生產(chǎn)中的檢查，調(diào)試及檢修(注：指在滿(mǎn)足電路性能及整機(jī)安裝與面板布局要求的前提下)。 布線(xiàn)方向：從焊接面看，元件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致，布線(xiàn)方向最好與電路圖走線(xiàn)方向相一致，因生產(chǎn)過(guò)程中通常需要在焊接面進(jìn)行各種參數(shù)的檢測(cè)，故這樣做便于生產(chǎn)中的檢查，調(diào)試及檢修(注：指在滿(mǎn)足電路性能及整機(jī)安裝與面板布局要求的前提下)。

(2)設(shè)計(jì)布線(xiàn)圖時(shí)走線(xiàn)盡量少拐彎，印刷弧上的線(xiàn)寬不要突變，導(dǎo)線(xiàn)拐角應(yīng)≥90度，力求線(xiàn)條簡(jiǎn)單明了。

(3)印刷電路中不允許有交叉電路，對(duì)于可能交叉的線(xiàn)條，可以用“鉆”、“繞”兩種辦法解決。即讓某引線(xiàn)從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處“鉆”過(guò)去，或從可能交叉的某條引線(xiàn)的一端“繞”過(guò)去，在特殊情況下如何電路很復(fù)雜，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)也允許用導(dǎo)線(xiàn)跨接，解決交叉電路問(wèn)題。因采用單面板，直插元件位于top面，表貼器件位于bottom面，所以在布局的時(shí)候直插器件可與表貼器件交疊，但要避免焊盤(pán)重疊。

3、輸入地與輸出地本開(kāi)關(guān)電源中為低壓的DC-DC，欲將輸出電壓反饋回變壓器的初級(jí)，兩邊的電路應(yīng)有共同的參考地，所以在對(duì)兩邊的地線(xiàn)分別鋪銅之后，還要連接在一起，形成共同的地。

五、間距

對(duì)于高電壓產(chǎn)品必須要考慮到線(xiàn)間距。能滿(mǎn)足相應(yīng)安規(guī)要求的間距當(dāng)然最好，但很多時(shí)候?qū)τ诓恍枰J(rèn)證，或沒(méi)法滿(mǎn)足認(rèn)證的產(chǎn)品，間距就由經(jīng)驗(yàn)決定了。

多寬的間距合適?必須考慮生產(chǎn)能否保證板面清潔、環(huán)境濕度、其他污染等情況如何。

對(duì)于市電輸入，即使能保證板面清潔、密封，MOS管漏源極間接近600V，小于1mm事實(shí)上也比較危險(xiǎn)了!

六、板邊緣的元器件

在PCB邊沿的貼片電容或其他易損壞的器件，在放置時(shí)必須考慮PCB分板方向，如圖是各種放置方法時(shí)，器件受到的應(yīng)力大小對(duì)比。

七、環(huán)路面積

無(wú)論是輸入或是輸出、功率環(huán)路或信號(hào)環(huán)路，應(yīng)盡可能的小。功率環(huán)路發(fā)射電磁場(chǎng)，將導(dǎo)致較差的EMI特性或較大的輸出噪聲;同時(shí)，若被控制環(huán)接收，很可能引起異常。

另一方面，若功率環(huán)路面積較大，其等效寄生電感也會(huì)增大，可能增加漏極噪聲尖峰。

八、關(guān)鍵走線(xiàn)

因di/dt 作用，必須減小動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)處電感，否則會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場(chǎng)。若要減小電感，主要是要減少布線(xiàn)的長(zhǎng)度，增加寬度作用較小。

九、信號(hào)線(xiàn)

對(duì)于整個(gè)控制部分，布線(xiàn)時(shí)應(yīng)考慮將其遠(yuǎn)離功率部分。若因其他限制兩者靠得較近，不應(yīng)將控制線(xiàn)與功率線(xiàn)并行，否則可能導(dǎo)致電源工作異常、震蕩。

另外若控制線(xiàn)很長(zhǎng)，應(yīng)該將來(lái)回的一對(duì)線(xiàn)的靠近，或?qū)⒍咧糜赑CB的兩個(gè)面上并正對(duì)著，從而減小其環(huán)路面積，避免被功率部分的電磁場(chǎng)干擾。如圖2說(shuō)明了A、B兩點(diǎn)間，正確與錯(cuò)誤的信號(hào)線(xiàn)布線(xiàn)方法。

十、鋪銅

有的時(shí)候鋪銅是完全沒(méi)有必要的，甚至應(yīng)該避免。若銅面積足夠大且其電壓不斷變化，一方面它可能作為天線(xiàn),向周?chē)椛潆姶挪?另一方面它又很容易拾起噪聲。

通常只允許在靜態(tài)節(jié)點(diǎn)鋪銅，例如對(duì)輸出端“地”節(jié)點(diǎn)鋪銅，可以等效增加輸出電容，濾除一些噪聲信號(hào)。

十一、映射

對(duì)于一個(gè)回路，可以在PCB的一面進(jìn)行鋪銅，它會(huì)根據(jù)PCB另一面的布線(xiàn)自動(dòng)映射，使這個(gè)回路的阻抗最小。這就好像一組不同阻抗值的阻抗并聯(lián)，電流會(huì)自動(dòng)選擇阻抗最小的路徑流過(guò)一樣。

事實(shí)上可以在控制部分電路的一面進(jìn)行連線(xiàn)，而在另一面對(duì)“地”節(jié)點(diǎn)鋪銅，兩個(gè)面間通過(guò)過(guò)孔連接。

十二、輸出整流二極管

輸出整流二極管若離輸出端比較近，不應(yīng)將其與輸出平行放置。否則二極管處產(chǎn)生的電磁場(chǎng)將穿入電源輸出與外接負(fù)載形成的環(huán)路，使測(cè)得的輸出噪聲增大。

十三、地線(xiàn)

地線(xiàn)的布線(xiàn)必須非常小心，否則可能引起EMS、EMI性能和其他性能變差。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源PCB的“地”，至少做到以下兩點(diǎn)：功率地和信號(hào)地，應(yīng)單點(diǎn)連接;不應(yīng)有存在地環(huán)路。

十四、Y電容

輸入輸出經(jīng)常會(huì)接入Y電容，有時(shí)因某些原因，可能無(wú)法將其掛在輸入電容地上，此時(shí)切記，一定要接在靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，如高壓端。

十五、其他

實(shí)際電源PCB設(shè)計(jì)時(shí)，可能還要考慮其他一些問(wèn)題，例如“壓敏電阻應(yīng)緊靠被保護(hù)電路”、“共模電感應(yīng)增加放電齒”、“芯片VCC供電處應(yīng)增加瓷片電容”等等。另外，是否需特殊處理，如銅箔、屏蔽等，在PCB設(shè)計(jì)階段也是需要考慮的。

有時(shí)往往會(huì)遇到多個(gè)原則相互沖突的情況，滿(mǎn)足其中一個(gè)就滿(mǎn)足不了其他的，這是需要工程師應(yīng)用已有的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，確定最合適的布線(xiàn)了!

十六、檢查

布線(xiàn)設(shè)計(jì)完成后，需認(rèn)真檢查布線(xiàn)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(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(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(xiàn)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(xiàn)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(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。

十七、 設(shè)計(jì)輸出

輸出光繪文件的注意事項(xiàng)：

a. 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)

b. 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。

c. 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。

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