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合理科學的PCB設計讓電源開發事半功倍

技術中心

Technology

合理科學的PCB設計讓電源開發事半功倍

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2021/06/17
瀏覽量

PCB設計是開關電源設計非常重要的一步,對電源的電性能、EMC、可靠性、可生產性都有關聯。當前開關電源的功率密度越來越高,對PCB布局、布線的要求也越發嚴格,合理科學的PCB設計讓電源開發事半功倍,以下細節供您參考。

一、布局要求

PCB布局是比較講究的,不是說隨便放上去,擠得下就完事的。一般PCB布局要遵循幾點:

1、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。

2、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電路板上,這樣,不但美觀,而且裝焊容易,易于批量生產。盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接;振蕩電路,濾波去耦電容要緊靠近IC,地線要短,如圖1所示。

圖1

3、放置器件時要考慮以后的焊接和維修,兩個高度高的元件之間盡量避免放置矮小的元件,如圖2所示,這樣不利于生產和維護,元件之間最好也不要太密集,但是隨著電子技術的發展,現在的開關電源越來越趨于小型化和緊湊化,所以就需要平衡好兩者之間的度了,既要方便焊裝與維護又要兼顧緊湊。還有就是要考慮實際的貼片加工能力,按照IPC-A-610E的標準,考慮元件側面偏移的精度,不然容易造成元件之間連錫,甚至由于元件偏移造成元件距離不夠。

 

圖2

4、光電耦合器件和電流采樣電路,容易被干擾,應遠離強電場、強磁場器件,如大電流走線、變壓器、高電位脈動器件等。

5、元件布局的時候,要優先考慮高頻脈沖電流和大電流的環路面積,盡可能地減小,以抑制開關電源的輻射干擾。如圖3所示的幾個電流環路是需要特別注意的。

圖3

6、高頻脈沖電流流過的區域要遠離輸入、輸出端子,使噪聲源遠離輸入、輸出口,有利于提高EMC性能。

圖4

如圖4所示,左圖變壓器離入口太近,電磁的輻射能量直接作用于輸入輸出端,因此,EMI測試不通過。改為右邊的方式后,變壓器遠離入口,電磁的輻射能量距輸入輸出端距離加大,效果改善明顯,EMI測試通過。

7、發熱元件(如變壓器,開關管,整流二極管等)的布局要考慮散熱的效果,使得整個電源的散熱均勻,對溫度敏感的關鍵元器件(如IC)應遠離發熱元件,發熱較大的器件應與電解電容等影響整機壽命的器件有一定的距離。

8、布板時要注意底面元件的高度。例如對于灌封的DC-DC電源模塊來說,因為DC-DC模塊本身體積就比較小,如果底面元件的高度四邊不平衡,灌封的時候會出現兩邊引腳高度一邊高一邊低的現象。

圖5

 

9、布局的時候要注意控制引腳的抗靜電能力,相應的電路元件之間的距離要足夠,例如Ctrl引腳(低電平關斷),其電路不像輸入、輸出端那樣具有電容濾波,所以抗靜電能力是整個模塊最弱的,一定要確保有足夠的安全間距。


二、走線原則

1、小信號走線要盡量遠離大電流走線,兩者不要靠近平行走線,如果無法避免平行的話,也要拉開足夠的距離,避免小信號走線受到干擾。

圖6

2、關鍵的小信號走線,如電流取樣信號線和光耦反饋的信號線等,盡量減小回路包圍的面積。

圖7

3、相鄰之間不應有過長的平行線(當然同一電流回路平行走線是可以的),上下層走線盡量采用交叉用垂直方式,走線不要突然拐角(即:≤90°),直角、銳角在高頻電路中會影響電氣性能。

圖8

4、功率回路和控制回路要注意分開,采用單點接地方式,如圖9和圖10所示。

初級PWM控制IC周圍的元件接地接至IC的地腳,再從地腳引出至大電容地線,然后與功率地連接。次級TL431周圍的元件接地至TL431的3腳,再與輸出電容的地連接。多個IC的情況,采用并聯單點接地的方式。

圖9
 
圖10

5、高頻元件(如變壓器、電感)底下第一層不要走線,高頻元件正對著的底面也最好不要放置元件,如果無法避免,可以采用屏蔽的方式,例如高頻元件在Top層,控制電路正對著在Bottom層,注意要在高頻元件所在的第一層敷銅進行屏蔽,如圖11所示,這樣可以避免高頻噪聲輻射干擾到底面的控制電路。

圖11

6、濾波電容的走線要特別注意,如圖12,左圖有一部分紋波&噪聲會經過走線出去,右圖濾波效果會好很多,紋波&噪聲經過濾波電容被完全濾掉。

圖12

7、電源線、地線盡量靠近,以減小所包圍的面積,從而減小外界磁場環路切割產生的電磁干擾,同時減少環路對外的電磁輻射。電源線、地線的布線盡量加粗縮短,以減小環路電阻,轉角要圓滑,線寬不要突變,如圖13所示。

圖13

8、發熱大的元件(如TO-252封裝的mos管)下可以大面積裸銅,用于散熱,這樣可以提高元件的可靠性。功率走線銅箔較窄處可以裸銅用于加錫以保證大電流的流通。


三、安規距離與工藝要求

1、電氣間隙:兩相鄰導體或一個導體與相鄰導電機殼表面的沿空氣測量的最短距離。爬電距離:兩相鄰導體或一個導體與相鄰導電機殼表面的沿著絕緣表面測量的最短距離。如果碰到模塊PCB空間有限,爬電距離不夠,可以采用開槽的方式,如圖14所示,在光耦處開隔離槽以滿足初次級良好隔離。一般最小開槽寬度為1mm,如果要開更小的槽(如0.6mm,0.8mm),一般需要特殊說明,找加工精度高的PCB廠家才行,當然費用也會增加。

圖14

一般電源模塊電壓與最小爬電距離的關系可參照下表:

2、元件到板邊的距離要求。位于電路板邊緣的元器件,離電路板邊緣一般不少于2mm,對于像10W以下的小型化DC-DC模塊,由于元件體積和高度比較小,而且輸入輸出電壓不高,為了滿足小型化的要求,也要至少留有0.5mm以上的距離。大面積銅箔到外框的距離應至少保證0.20mm以上的間距,因在銑外形時容易銑到銅箔上造成銅箔翹起及由其引起焊劑脫落問題。

3、若走線入圓焊盤或過孔的寬度較圓焊盤的直徑小時,則需加淚滴,加強吸附力,避免焊盤或過孔脫落。

圖15

4、SMD器件的引腳與大面積銅箔連接時,要進行熱隔離處理,不然過回流焊的時候由于散熱快,容易造成虛焊或脫焊。

圖16

5、PCB拼板的時候,要考慮分板可行性,確保元件離板邊的距離要足夠,同時還要考慮分板的應力會不會造成元件的脫翹。如圖17所示,可以適當的開槽,減小分斷PCB時的應力,元件A擺放的位置與V-CUT槽方向平行,分斷時應力比元件B小;元件C比元件A遠離V-CUT槽,分斷時應力也比元件A的小。

圖17

當然,以上只是個人總結的一些開關電源PCB設計的經驗,還有很多細節上的或其他方面的知識需要注意的,最后我想說的是PCB設計,除了原則要求和經驗知識之外,最重要的一點是細心再細心,檢查再檢查。

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