開關(guān)電源PCB Layout技巧（一）

一、引言開關(guān)電源是一種電壓轉(zhuǎn)換電路，主要的工作內(nèi)容是升壓和降壓，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代產(chǎn)品。因為開關(guān)三極管總是工作在 “開” 和“關(guān)” 的狀態(tài)，所以叫開關(guān)電源。開關(guān)電源實質(zhì)就是一個振蕩電路，這種轉(zhuǎn)換電能的方式，不僅應(yīng)用在電源電路，在其它的電路應(yīng)用也很普遍，如液晶顯示器的背光電路、日光燈等。開關(guān)電源與變壓器相比具有效率高、穩(wěn)性好、體積小等優(yōu)點，缺點是功率相對較小，而且會對電路產(chǎn)生高頻干擾，變壓器反饋式振蕩電路，能產(chǎn)生有規(guī)律的脈沖電流或電壓的電路叫振蕩電路，變壓器反饋式振蕩電路就是能滿足這種條件的電路。開關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)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(dǎo)通時副邊截止，變壓器儲能。原邊截止時，副邊導(dǎo)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(dǎo)通同時副邊感應(yīng)出對應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(xiàn)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(guān)。反激電源變壓器漏感是一個非常關(guān)鍵的參數(shù)，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(chǎn)生漏磁遠大于完全閉合磁路。脈沖電壓連線盡可能短，其中輸入開關(guān)管到變壓器連線，輸出變壓器到整流管連接線。脈沖電流環(huán)路盡可能小如輸入濾波電容正到變壓器到開關(guān)管返回電容負。輸出部分變壓器出端到整流管到輸出電感到輸出電容返回變壓器電路中X電容要盡量接 近開關(guān)電源輸入端，輸入線應(yīng)避免與其他電路平行，應(yīng)避開。Y電容應(yīng)放置在機殼接地端子或FG連接端。共摸電感應(yīng)與變壓器保持一定距離，以避免磁偶合。輸出電容一般可采用兩只一只靠近整流管另一只應(yīng)靠近輸出端子，可影響電源輸出紋波指標(biāo)，兩只小容量電容并聯(lián)效果應(yīng)優(yōu)于用一只大容量電容。發(fā)熱器件要和電解 電容保持一定距離，以延長整機壽命，電解電容是開關(guān)電源壽命的瓶勁，如變壓器、功率管、大功率電阻要和電解保持距離，電解之間也須留出散熱空間，條件允許可將其放置在進風(fēng)口。二、印制板布線的一些原則印制板設(shè)計時，要考慮到干擾對系統(tǒng)的影響，將電路的模擬部分和數(shù)字部分的電路嚴(yán)格分開，對核心電路重點防護，將系統(tǒng)地線環(huán)繞，并布線盡可能粗，電源增加濾波電路，采用DC-DC隔離，信號采用光電隔離，設(shè)計隔離電源，分析容易產(chǎn)生干擾的部分(如時鐘電路、通訊電路等)和容易被干擾的部分(如模擬采樣電路等)，對這兩種類型的電路分別采取措施。對于干擾元件采取抑制措施，對敏感元件采取隔離和保護措施，并且將它們在空間和電氣上拉開距離。在板級設(shè)計時，還要注意元器件放置要遠離印制板邊沿，這對防護空氣放電是有利的。線間距：隨著印制線路板制造工藝的不斷完善和提高，一般加工廠制造出線間距等于甚至小于0.1mm已經(jīng)不存在什么問題，完全能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場合?？紤] 到開關(guān)電源所采用的元器件及生產(chǎn)工藝，一般雙面板最小線間距設(shè)為0.3mm，單面板最小線間距設(shè)為0.5mm，焊盤與焊盤、焊盤與過孔或過孔與過孔，最小 間距設(shè)為0.5mm，可避免在焊接操作過程中出現(xiàn)“橋接”現(xiàn)象。，這樣大多數(shù)制板廠都能夠很輕松滿足生產(chǎn)要求，并可以把成品率控制得非常高，亦可實現(xiàn)合理 的布線密度及有一個較經(jīng)濟的成本。最小線間距只適合信號控制電路和電壓低于63V的低壓電路，當(dāng)線間電壓大于該值時一般可按照500V/1mm經(jīng)驗值取線間距。方法一：上文提到的線路板開槽的方法適用于一些間距不夠的場合，順便提一下，該法也常用來作為保護放電間隙，常見于電視機顯象管尾板和電源交流輸入處。該法在模塊電源中得到了廣泛的應(yīng)用，在灌封的條件下可獲得很好的效果。方法二：墊絕緣紙，可采用青殼紙、聚脂膜、聚四氟乙烯定向膜等絕緣材料。一般通用電源用青殼紙或聚脂膜墊在線路板于金屬機殼間，這種材料有機械強度高，有 有一定抗潮濕的能力。聚四氟乙烯定向膜由于具有耐高溫的特性在模塊電源中得到廣泛的應(yīng)用。在元件和周圍導(dǎo)體間也可墊絕緣薄膜來提高絕緣抗電性能。鋁基板由其本身構(gòu)造，具有以下特點：導(dǎo)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(guān)管，輸出整流管通過基板把熱量傳導(dǎo)出去，熱阻很低，可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(dǎo)熱性，在小量手工焊接時比較困難，焊料冷卻過快，容易出現(xiàn)問題現(xiàn)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(diào)溫功能)， 翻過來，熨燙面向上，固定好，溫度調(diào)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。三、印制板銅皮走線的一些事項走線電流密度：現(xiàn)在多數(shù)線路采用絕緣板縛銅構(gòu)成。常用線路板銅皮厚度為35μm，走線可按照1A/mm經(jīng)驗值取電流密度值，具體計算可參見教科書。為 保證走線機械強度原則線寬應(yīng)大于或等于0.3mm。銅皮厚度為70μm 線路板也常見于開關(guān)電源，那么電流密度可更高些。模塊電源行列也有部分產(chǎn)品采用多層板，主要便于集成變壓器電感等功率器件，優(yōu)化接線、功率管散熱等。具有工藝美觀一致性好，變壓器散熱好的優(yōu)點，但其缺點是成本較高，靈活性較差，僅適合于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。單面板，市場流通通用開關(guān)電源幾乎都采用了單面線路板，其具有低成本的優(yōu)勢，在設(shè)計，及生產(chǎn)工藝上采取一些措施亦可確保其性能。為保證良好的焊接機械結(jié)構(gòu)性能，單面板焊盤應(yīng)稍微大一些，以確保銅皮和基板的良好縛著力，而不至于受到震動時銅皮剝離、斷脫。一般焊環(huán)寬度應(yīng)大于 0.3mm。焊盤孔直徑應(yīng)略大于器件引腳直徑，但不宜過大，保證管腳與焊盤間由焊錫連接距離最短，盤孔大小以不妨礙正常查件為度，焊盤孔直徑一般大于管腳 直徑0.1-0.2mm。多引腳器件為保證順利查件，也可更大一些。單面板上元器件應(yīng)緊貼線路板。需要架空散熱的器件，要在器件與線路板之間的管腳上加套管，可起到支撐器件和增加絕緣的雙重作用，要最大限度減少或避免外力 沖擊對焊盤與管腳連接處造成的影響，增強焊接的牢固性。線路板上重量較大的部件可增加支撐連接點，可加強與線路板間連接強度，如變壓器，功率器件散熱器。雙面板焊盤由于孔已作金屬化處理強度較高，焊環(huán)可比單面板小一些，焊盤孔孔徑可 比管腳直徑略微大一些，因為在焊接過程中有利于焊錫溶液通過焊孔滲透到頂層焊盤，以增加焊接可靠性。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(shè)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(fēng)整平時會被鍍上錫。2. 在布線處放置焊盤，將該焊盤設(shè)置成需要走線的形狀，要注意把焊盤孔設(shè)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(chǎn)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(jù)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(guān)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(dǎo)致出現(xiàn)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(yīng)指標(biāo)。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(xiàn)，因為在插裝器件時有可能破壞這種連接關(guān)系，還有在每1A電流通過時，至少應(yīng)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。