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开关稳压电源设计制作中PCB设计规范技术总结

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标签: 电源

电源

开关稳压电源设计制作中PCB设计规范技术总结

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开关稳压电源设计制½中
PCB
设计规范技术总结
在电源设计与制½中,PCB 的设计与制½½是至关重要的。在任½开关电源设计中,P
CB
板的物理设计½是最后一个环节,如果设计方法不½,PCB 可½会造成很多的问题。笔
者根据多年的
PCB
设计经验,尤其总结了电源设计制½的经验,以下针对各个步骤中所需
注意的事项进行分析。
1、设计流程
从原理图到
PCB
的设计流程为:建立元件参数→输入原理½表→设计参数设½→手工
布局→手工布线→验证设计→复查→CAM 输出。
1
设计流程
2、电气安全要求
相邻导线的间距必须½满足电气安全要求,
最小间距至少要½适合承受的电压,
而且为
了便于操½和生产,间距要½量地½。在布线密度较½时,信号线的间距可适½地加大。对
高、½电平悬殊的信号线则要½可½地加大间距,一般为
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的焊盘缺损。½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½处是焊盘不容易起皮,
而且走线与焊盘不易
断开。
3、元器件布局
元器件布局实践证明,即½电路原理图设计正确,印制电路板设计不½,也会对电子设
备的可靠性产生不利½响。例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会造成信号波½的
延迟,在传输线的终端½成反射噪声。因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的
方法。
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每一个开关电源½有四个电流回路:电源开关交流回路,输出整流交流回路,输入信号
源电流回路,输出负½½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½带储½½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
½量,同时消除输出负½½回路的直流½量。所以,输入及输出电流回路应只从滤波电容的接
线端连接到电源;如果输入/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½量将经由输入或输出滤波电容而辐射到环境中去。
电源开关交流回路和整
流器的交流回路包含高幅梯½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他印制线布线之前先布½这些交流回路。
每个回路
的滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应½此相邻地进行放½,½它们之间的电流
路径½可½短。建立开关电源布局的最½设计流程如图
2
所示。
2
布局设计流程
对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:
PCB
尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪½力下降,成本也增加;过小则散热不
½,且邻近线条易受干扰。电路板的最½½状为矩½,长½比为
3:2
4:3,½于电路板边
缘的元器件,离电路板边缘一般不小于
2mm。
放½器件时要考虑以后的焊接,不要太密集。
以每个功½电路的核心元件为中心来进行布局。元器件应均匀、整½、紧凑地排列在
PC
B
上,½量减少和缩短各元器件之间的引线和连接,
去耦电容则½量靠近器件的
VCC。
在高频下工½的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应½可½½元器件平行
排列。这样,不½美观,而且装焊容易,易于批量生产。
按照电路的流程安排各个功½电路单元的½½,½布局便于信号流通,并½信号½可½
保持一致的传输方向。
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
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件放在一起。
½可½地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰。
4、高频处理
印制线的长度和½度会½响其阻抗和感抗,
进而½响频率响应。
即½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½可½短而½,
这意味着必须将所有连接到印制线
和其他电源线的元器件放½得很近。根据印制线路板电流的大小,½量加粗电源线½度,减
少环路电阻。
同时,
½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½力。
接地是开关电源四个电流回路的底层支路,
½为电路的公共参考点起着很重要的½用,
是控
制干扰的重要因素。因此,在布局中应仔细考虑接地线的放½,将各种接地混合会造成电源
工½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他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½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。
可采用一
点接地,
即将电源开关电流回路中的几个器件的地线½连到接地脚上,
输出整流器电流回路
的几个器件的地线接到相应的滤波电容的接地脚上,这样电源工½较稳定,不易自激。做不
到单点时,在共地处接两个二极管或一小电阻,或接在比较集中的一块铜箔处就可以。
2)
½量加粗接地线
若接地线很细,接地电½则随电流的变化而变化,致½电子设备的定时信号电平不稳,
抗噪声性½变坏,
因此要确保每一个大电流的接地端采用½量短而½的印制线,
½量加½电
源、地线½度,
最½是地线比电源线½,
它们的关系是:地线>电源线>信号线,如有可½,
接地线的½度应大于
3mm,
也可用大面积铜层½地线用,在印制板上把没被用上的地方½与
地相连接½为地线用。
5、全局布线的考虑
从焊接面看,
元件的排列方½½可½保持与原理图相一致,
布线方向最½与电路图走线
方向相一致。
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设计布线图时,走线½量少拐弯,印刷弧上的线½不要突变,导线拐角应≥90°,力求线条
简单明了。
印刷电路中不允许有交叉电路,对于可½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½交叉的某条引线的
一端“绕”过去。如果电路很复杂,为简化设计也允许用导线跨接,解决交叉电路问题。
6、检查与复查
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½度是否合适,在
PCB
中是否还有½让地线加½的地方。
复查根据“PCB
检查表”,内容包括设计规则,层定义、线½、间距、焊盘、过孔设½,
还要重点复查器件布局的合理性,电源、地线½络的走线,高速时钟½络的走线与屏½,去
耦电容的摆放和连接等。
开关电源的
EMC
设计
开关电源因½积小、功率因数较大等优点,在通信、控制、计算机等领域应用广泛。½
由于会产生电磁干扰,
其进一步的应用受到一定程度上的限制。
本文将分析开关电源电磁干
扰的各种产生机理,并在其基础之上,提出开关电源的电磁兼容设计方法。
1、开关电源的电磁干扰分析
开关电源的结构如图
1
所示。首先将工频交流整流为直流,再逆变为高频,最后再经
整流滤波电路输出,得到稳定的直流电压。电路设计及布局不合理、机械振动、接地不良等
½会½成内部电磁干扰。同时,变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰,也
是½在的强干扰源。
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1 AC/DC
开关电源基本框图
1)
内部干扰源
开关电路
开关电路主要由开关管和高频变压器组成。
开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线
间存在分布电容,它产生的
du/dt
具有较大幅度的脉冲,频带较½且谐波丰富。开关管负½½
为高频变压器初级线圈,是感性负½½。½原来导通的开关管关断时,高频变压器的漏感产生
了反电势
E=-Ldi/dt,其值与集电极的电流变化率成正比,与漏感成正比,迭加在关断电压
上,½成关断电压尖峰,从而½成传导干扰。
整流电路的整流二极管
输出整流二极管截止时有一个反向电流,
其恢复到零点的时间与结电容等因素有关。
会在变压器漏感和其他分布参数的½响下产生很大的电流变化
di/dt,产生较强的高频干扰,
频率可达几十兆赫兹。
杂散参数
由于工½在较高频率,开关电源中的½频元器件特性会发生变化,由此产生噪声。在高
频时,杂散参数对耦合通道的特性½响很大,而分布电容成为电磁干扰的通道。
2)外部干扰源
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