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[!--downpath--]在开关电源设计中PCB板的数学设计都是最后一个环节,假如设计方式不当,PCB可能会幅射过多的电磁干扰,导致电源工作不稳定,本文针对各个步骤中所需注意的事项进行剖析。
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从原理图到PCB的设计流程
构建器件参数-》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。
开关电源设计中PCB板各环节须要注意的问题
元元件布局
实践证明,虽然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形成不利影响。诸如,假如印制板两条细平行线靠得很近,则会产生讯号波形的延后,在传输线的终端产生反射噪音;因为电源、地线的考虑不周到而导致的干扰,会使产品的性能增长,因而,在设计印制电路板的时侯,应注意采用正确的方式。每一个开关电源都有四个电压回路:
(1)电源开关交流回路
(2)输出检波交流回路
(3)输入讯号源电压回路
(4)输出负载电压回路输入回路
通过一个近似直流的电压对输入电容充电,混频电容主要起到一个宽带储能作用;类似地,输出混频电容也拿来存储来自输出检波器的高频能量,同时去除输出负载回路的直流能量。所以,输入和输出混频电容的接线端非常重要,输入及输出电压回路应分别只从混频电容的接线端联接到电源;假如在输入/输出回路和电源开关/检波回路之间的联接未能与电容的接线端直接相连,交流能量将由输入或输出混频电容并幅射到环境中去。
电源开关交流回路和检波器的交流回路包含高幅矩形电压,这种电压中纹波成份很高,其频度远小于开关杂讯,峰值幅度可高达持续输入/输出直流电压幅度的5倍,过渡时间一般约为50ns。
这两个回路最容易形成电磁干扰,因而必须在电源中其它印制线布线之前先布好这种交流回路,每位回路的三种主要的器件混频电容、电源开关或检波器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置,调整器件位置使它们之间的电压路径尽可能短。构建开关电源布局的最好方式与其电气设计相像,最佳设计流程如下:
放置变压器
设计电源开关电压回路
设计输出检波器电压回路
联接到交流电源电路的控制电路
设计输入电压源回路和输入混频器设计输出负载回路和输出混频器按照电路的功能单元,对电路的全部元元件进行布局时,要符合以下原则:
(1)首先要考虑PCB规格大小。PCB规格过大时,印制腰线长,阻抗降低,抗噪音能力下滑,成本也降低;过小则散热不好,且毗邻腰线易受干扰。电路板的最佳形状圆形,长宽比为3:2或4:3,坐落电路板边沿的元元件,离电路板边沿通常不大于2mm。
(2)放置元件时要考虑之后的点焊,不要太密集。
(3)以每位功能电路的核心器件为中心,围绕它来进行布局。元元件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量降低和减短各元元件之间的引线和联接,去耦电容尽量紧靠元件的VCC。
(4)在高频下工作的电路,要考虑元元件之间的分布参数。通常电路应尽可能使元元件平行排列。这样,不但美观,但是装焊容易,便于批量生产。
(5)根据电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局以便讯号流通,并使讯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,联通元件时注意飞线的联接,把有连线关系的元件置于一起。
(7)尽可能地减少环桥面积,以抑制开关电源的幅射干扰。
参数设置
相邻导线宽度必须能满足电气安全要求,但是为了易于操作和生产,宽度也应尽量宽些。最小宽度起码要能适宜承受的电流,在布线密度较低时,讯号线的宽度可适当地加强,对高、低电平悬殊的讯号线应尽可能地短且加强宽度,通常情况下将走线宽度设为8mil。
过孔内孔边沿到印制板边的距离要小于1mm接地电流过大的原因,这样可以防止加工时造成过孔缺损。当与过孔联接的走线较细时,要将过孔与走线之间的联接设计成水滴状,这样的用处是过孔不容易起皮,而是走线与过孔不易断掉。
布线
开关电源中包含有高频讯号,PCB上任何印制线都可以起到天线的作用,印制线的宽度和长度会影响其阻抗和感抗,进而影响频度响应。虽然是通过直流讯号的印制线也会从毗邻的印制线耦合到射频讯号并导致电路问题(甚至再度辐射出干扰讯号)。因而应将所有通过交流电压的印制线设计得尽可能短而宽,这意味着必须将所有联接到印制线和联接到其他电源线的元元件放置得很近。
印制线的宽度与其表现出的电感量和阻抗成反比,而长度则与印制线的电感量和阻抗成正比。宽度反映出印制线响应的波长,厚度越长,印制线能发送和接收电磁波的频度越低,它能够辐射出更多的射频能量。按照印制线路板电压的大小,尽量加租电源线长度,降低支路内阻。同时、使电源线、地线的迈向和电压的方向一致,这样有助于提高抗噪音能力。接地是开关电源四个电压回路的底层大道,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式。
为此,在布局中应仔细考虑接地线的放置,将各类接地混和会导致电源工作不稳定。
在相线设计中应注意以下几点:
1.正确选择单点接地一般,混频电容公共端应是其它的接地点耦合到大电压的交流地的惟一联接点,同一级电路的接地点应尽量紧靠,但是本级电路的电源检波电容也应接在该级接地点上,主要是考虑电路各部份回流到地的电压是变化的,因实际流过的线路的阻抗会造成电路各部份地电位的变化而引入干扰。在本开关电源中,它的布线和元件间的电感影响较小,而接地电路产生的环流对干扰影响较大,因此采用一点接地,将要电源开关电压回路(中的几个元件的相线都连到接地脚上,输出检波器电压回路的几个元件的相线也同样接到相应的混频电容的接地脚上,这样电源工作较稳定,不易移相。做不到单点时,在共地处接两晶闸管或一小阻值,虽然接在比较集中的一块铜带处就可以。
2.尽量加粗接地线若接地线很细,接地电位则随电压的变化而变化,使得电子设备的定时讯号电平不稳,抗噪音性能变坏,因而要确保每一个大电压的接地端采用尽量短而宽的印制线,尽量加宽电源、地线长度,最好是相线比电源线宽,它们的关系是:相线》电源线》信号线,如有可能,接地线的长度应小于3mm,也可用大面积铜层作相线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相联接作为相线用。进行全局布线的时侯,还须遵守以下原则:
(1)布线方向:从钎焊面看,器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,因生产过程中一般须要在点焊面进行各类参数的测量,故这样做以便生产中的检测,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转弯,彩印弧上的线宽不要突变,导线转角应≥90度,力求腰线简单明了。
(3)彩印电路中不容许有交叉电路,对于可能交叉的腰线,可以用“钻”、“绕”两种办法解决。即让某引线从别的内阻、电容、三极管脚下的缝隙处“钻”过去,或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去,在特殊情况下怎样电路很复杂,为简化设计也容许用导线跨接,解决交叉电路问题。因采用单面板,直插器件坐落top面,表贴元件坐落面,所以在布局的时侯直插元件可与表贴元件交叠,但要防止过孔重叠。
3.输入地与输出地本开关电源中为低压的DC-DC,欲将输出电流反馈回变压器的中级,两侧的电路应有共同的参考地,所以在对两侧的相线分别铺铜以后,还要联接在一起,产生共同的地。
检测
布线设计完成后,需认真复查布线设计是否符合设计者所制订的规则,同时也需确认所制订的规则是否符合印制板生产工艺的需求,通常检测线与线、线与器件螺孔、线与贯通孔、元件过孔与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理,是否满足生产要求。电源线和相线的长度是否合适,在PCB中是否还有能让相线加宽的地方。注意:有些错误可以忽视,比如有些接插件的的一部份放到了板框外,检测宽度时会出错;另外每次更改过走线和盲孔以后,都要重新覆铜一次。
检查按照“PCB检测表”
内容包括设计规则接地电流过大的原因,层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置,还要重点检查元件布局的合理智,电源、地线网路的走线,高速时钟网路的走线与屏蔽,去耦电容的摆放和联接等。
设计输出输出光绘文件的注意事项:
a.须要输出的层有布线层(底层)、丝印层(包括顶楼丝印、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(NCDrill)
b.设置丝印层的Layer时,不要选择PartType,选择顶楼(底层)和丝印层的、Text、Line。
c.在设置每层的Layer时,将Board选上,设置丝印层的Layer时,不要选择PartType,选择顶楼(底层)和丝印层的、Text、Line。
d.生成钻孔文件时,使用PowerPCB的缺省设置,不要作任何改。