開關電源設計中PCB板的物理設計分析


時間：2019-07-09

在開關電源設計中PCB板的物理設計都是最后一個環節，如果設計方法不當，PCB可能會輻射過多的電磁干擾，造成電源工作不穩定，以下針對各個步驟中所需注意的事項進行分析：

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－》復查-》CAM輸出。

焊盤內孔邊緣到印制板邊的距離要大于1mm，這樣可以避免加工時導致焊盤缺損。當與焊盤連接的走線較細時，要將焊盤與走線之間的連接設計成水滴狀，這樣的好處是焊盤不容易起皮，而是走線與焊盤不易斷開。

三、元器件布局實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會對電子設備的可靠性產生不利影響。例如，如果印制板兩條細平行線靠得很近，則會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲；由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產品的性能下降，因此，在設計印制電路板的時候，應注意采用正確的方法。每一個開關電源都有四個電流回路：

（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；類似地，輸出濾波電容也用來儲存來自輸出整流器的高頻能量，同時消除輸出負載回路的直流能量。所以，輸入和輸出濾波電容的接線端十分重要，輸入及輸出電流回路應分別只從濾波電容的接線端連接到電源；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并輻射到環境中去。電源開關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，其頻率遠大于開關基頻，峰值幅度可高達持續輸入/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干擾，因此必須在電源中其它印制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、電感或變壓器應彼此相鄰地進行放置，調整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短。建立開關電源布局的最好方法與其電氣設計相似，最佳設計流程如下：

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制電路

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，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。電路板的最佳形狀矩形，長寬比為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） 放置器件時要考慮以后的焊接，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） 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應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。

（5） 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并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，把有連線關系的器件放在一起。

（7） 盡可能地減小環路面積，以抑制開關電源的輻射干擾。

四、布線開關電源中包含有高頻信號，PCB上任何印制線都可以起到天線的作用，印制線的長度和寬度會影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應。即使是通過直流信號的印制線也會從鄰近的印制線耦合到射頻信號并造成電路問題（甚至再次輻射出干擾信號）。因此應將所有通過交流電流的印制線設計得盡可能短而寬，這意味著必須將所有連接到印制線和連接到其他電源線的元器件放置得很近。印制線的長度與其表現出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比。長度反映出印制線響應的波長，長度越長，印制線能發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。根據印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環路電阻。 同時、使電源線、地線的走向和電流的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。接地是開關電源四個電流回路的底層支路，作為電路的公共參考點起著很重要的作用，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. 正確選擇單點接地通常，濾波電容公共端應是其它的接地點耦合到大電流的交流地的唯一連接點，同一級電路的接地點應盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應接在該級接地點上，主要是考慮電路各部分回流到地的電流是變化的，因實際流過的線路的阻抗會導致電路各部分地電位的變化而引入干擾。在本開關電源中，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環流對干擾影響較大，因而采用一點接地，即將電源開關電流回路中的幾個器件的地線都連到接地腳上，輸出整流器電流回路的幾個器件的地線也同樣接到相應的濾波電容的接地腳上，這樣電源工作較穩定，不易自激。做不到單點時，在共地處接兩二極管或一小電阻，其實接在比較集中的一塊銅箔處就可以。

2. 盡量加粗接地線 若接地線很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設備的定時信號電平不穩，抗噪聲性能變壞，因此要確保每一個大電流的地端采用盡量短而寬的印制線，盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關系是：地線＞電源線＞信號線，如有可能，接地線的寬度應大于3mm，也可用大面積銅層作地線用，在印制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，布線方向最好與電路圖走線方向相一致，因生產過程中通常需要在焊接面進行各種參數的檢測，故這樣做便于生產中的檢查，調試及檢修（注：指在滿足電路性能及整機安裝與面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，對于可能交叉的線條，可以用“鉆”、“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“鉆”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復雜，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，欲將輸出電壓反饋回變壓器的初級，兩邊的電路應有共同的參考地，所以在對兩邊的地線分別鋪銅之后，還要連接在一起，形成共同的地。　　

五、檢查　　布線設計完成后，需認真檢查布線設計是否符合設計者所制定的規則，同時也需確認所制定的規則是否符合印制板生產工藝的需求，一般檢查線與線、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后，都要重新覆銅一次。　　六、復查根據“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，還要重點復查器件布局的合理性，電源、地線網絡的走線，高速時鐘網絡的走線與屏蔽，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）、鉆孔層（底層），另外還要生成鉆孔文件（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 。

c.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. 生成鉆孔文件時，使用PowerPCB的缺省設置，不要作任何更改。