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[!--downpath--]在開關電源設計中PCB板的數學設計都是最后一個環節,假如設計方式不當,PCB可能會幅射過多的電磁干擾,導致電源工作不穩定,本文針對各個步驟中所需注意的事項進行剖析。
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從原理圖到PCB的設計流程
構建器件參數-》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。
開關電源設計中PCB板各環節須要注意的問題
元元件布局
實踐證明,雖然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形成不利影響。諸如,假如印制板兩條細平行線靠得很近,則會產生訊號波形的延后,在傳輸線的終端產生反射噪音;因為電源、地線的考慮不周到而導致的干擾,會使產品的性能增長,因而,在設計印制電路板的時侯,應注意采用正確的方式。每一個開關電源都有四個電壓回路:
(1)電源開關交流回路
(2)輸出檢波交流回路
(3)輸入訊號源電壓回路
(4)輸出負載電壓回路輸入回路
通過一個近似直流的電壓對輸入電容充電,混頻電容主要起到一個寬帶儲能作用;類似地,輸出混頻電容也拿來存儲來自輸出檢波器的高頻能量,同時去除輸出負載回路的直流能量。所以,輸入和輸出混頻電容的接線端非常重要,輸入及輸出電壓回路應分別只從混頻電容的接線端聯接到電源;假如在輸入/輸出回路和電源開關/檢波回路之間的聯接未能與電容的接線端直接相連,交流能量將由輸入或輸出混頻電容并幅射到環境中去。
電源開關交流回路和檢波器的交流回路包含高幅矩形電壓,這種電壓中紋波成份很高,其頻度遠小于開關雜訊,峰值幅度可高達持續輸入/輸出直流電壓幅度的5倍,過渡時間一般約為50ns。
這兩個回路最容易形成電磁干擾,因而必須在電源中其它印制線布線之前先布好這種交流回路,每位回路的三種主要的器件混頻電容、電源開關或檢波器、電感或變壓器應彼此相鄰地進行放置,調整器件位置使它們之間的電壓路徑盡可能短。構建開關電源布局的最好方式與其電氣設計相像,最佳設計流程如下:
放置變壓器
設計電源開關電壓回路
設計輸出檢波器電壓回路
聯接到交流電源電路的控制電路
設計輸入電壓源回路和輸入混頻器設計輸出負載回路和輸出混頻器按照電路的功能單元,對電路的全部元元件進行布局時,要符合以下原則:
(1)首先要考慮PCB規格大小。PCB規格過大時,印制腰線長,阻抗降低,抗噪音能力下滑,成本也降低;過小則散熱不好,且毗鄰腰線易受干擾。電路板的最佳形狀圓形,長寬比為3:2或4:3,坐落電路板邊沿的元元件,離電路板邊沿通常不大于2mm。
(2)放置元件時要考慮之后的點焊,不要太密集。
(3)以每位功能電路的核心器件為中心,圍繞它來進行布局。元元件應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上,盡量降低和減短各元元件之間的引線和聯接,去耦電容盡量緊靠元件的VCC。
(4)在高頻下工作的電路,要考慮元元件之間的分布參數。通常電路應盡可能使元元件平行排列。這樣,不但美觀,但是裝焊容易,便于批量生產。
(5)根據電路的流程安排各個功能電路單元的位置,使布局以便訊號流通,并使訊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,聯通元件時注意飛線的聯接,把有連線關系的元件置于一起。
(7)盡可能地減少環橋面積,以抑制開關電源的幅射干擾。
參數設置
相鄰導線寬度必須能滿足電氣安全要求,但是為了易于操作和生產,寬度也應盡量寬些。最小寬度起碼要能適宜承受的電流,在布線密度較低時,訊號線的寬度可適當地加強,對高、低電平懸殊的訊號線應盡可能地短且加強寬度,通常情況下將走線寬度設為8mil。
過孔內孔邊沿到印制板邊的距離要小于1mm接地電流過大的原因,這樣可以防止加工時造成過孔缺損。當與過孔聯接的走線較細時,要將過孔與走線之間的聯接設計成水滴狀,這樣的用處是過孔不容易起皮,而是走線與過孔不易斷掉。
布線
開關電源中包含有高頻訊號,PCB上任何印制線都可以起到天線的作用,印制線的寬度和長度會影響其阻抗和感抗,進而影響頻度響應。雖然是通過直流訊號的印制線也會從毗鄰的印制線耦合到射頻訊號并導致電路問題(甚至再度輻射出干擾訊號)。因而應將所有通過交流電壓的印制線設計得盡可能短而寬,這意味著必須將所有聯接到印制線和聯接到其他電源線的元元件放置得很近。
印制線的寬度與其表現出的電感量和阻抗成反比,而長度則與印制線的電感量和阻抗成正比。寬度反映出印制線響應的波長,厚度越長,印制線能發送和接收電磁波的頻度越低,它能夠輻射出更多的射頻能量。按照印制線路板電壓的大小,盡量加租電源線長度,降低支路內阻。同時、使電源線、地線的邁向和電壓的方向一致,這樣有助于提高抗噪音能力。接地是開關電源四個電壓回路的底層大道,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式。
為此,在布局中應仔細考慮接地線的放置,將各類接地混和會導致電源工作不穩定。
在相線設計中應注意以下幾點:
1.正確選擇單點接地一般,混頻電容公共端應是其它的接地點耦合到大電壓的交流地的惟一聯接點,同一級電路的接地點應盡量緊靠,但是本級電路的電源檢波電容也應接在該級接地點上,主要是考慮電路各部份回流到地的電壓是變化的,因實際流過的線路的阻抗會造成電路各部份地電位的變化而引入干擾。在本開關電源中,它的布線和元件間的電感影響較小,而接地電路產生的環流對干擾影響較大,因此采用一點接地,將要電源開關電壓回路(中的幾個元件的相線都連到接地腳上,輸出檢波器電壓回路的幾個元件的相線也同樣接到相應的混頻電容的接地腳上,這樣電源工作較穩定,不易移相。做不到單點時,在共地處接兩晶閘管或一小阻值,雖然接在比較集中的一塊銅帶處就可以。
2.盡量加粗接地線若接地線很細,接地電位則隨電壓的變化而變化,使得電子設備的定時訊號電平不穩,抗噪音性能變壞,因而要確保每一個大電壓的接地端采用盡量短而寬的印制線,盡量加寬電源、地線長度,最好是相線比電源線寬,它們的關系是:相線》電源線》信號線,如有可能,接地線的長度應小于3mm,也可用大面積銅層作相線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相聯接作為相線用。進行全局布線的時侯,還須遵守以下原則:
(1)布線方向:從釬焊面看,器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,因生產過程中一般須要在點焊面進行各類參數的測量,故這樣做以便生產中的檢測,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轉彎,彩印弧上的線寬不要突變,導線轉角應≥90度,力求腰線簡單明了。
(3)彩印電路中不容許有交叉電路,對于可能交叉的腰線,可以用“鉆”、“繞”兩種辦法解決。即讓某引線從別的內阻、電容、三極管腳下的縫隙處“鉆”過去,或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去,在特殊情況下怎樣電路很復雜,為簡化設計也容許用導線跨接,解決交叉電路問題。因采用單面板,直插器件坐落top面,表貼元件坐落面,所以在布局的時侯直插元件可與表貼元件交疊,但要防止過孔重疊。
3.輸入地與輸出地本開關電源中為低壓的DC-DC,欲將輸出電流反饋回變壓器的中級,兩側的電路應有共同的參考地,所以在對兩側的相線分別鋪銅以后,還要聯接在一起,產生共同的地。
檢測
布線設計完成后,需認真復查布線設計是否符合設計者所制訂的規則,同時也需確認所制訂的規則是否符合印制板生產工藝的需求,通常檢測線與線、線與器件螺孔、線與貫通孔、元件過孔與貫通孔、貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理,是否滿足生產要求。電源線和相線的長度是否合適,在PCB中是否還有能讓相線加寬的地方。注意:有些錯誤可以忽視,比如有些接插件的的一部份放到了板框外,檢測寬度時會出錯;另外每次更改過走線和盲孔以后,都要重新覆銅一次。
檢查按照“PCB檢測表”
內容包括設計規則接地電流過大的原因,層定義、線寬、間距、焊盤、過孔設置,還要重點檢查元件布局的合理智,電源、地線網路的走線,高速時鐘網路的走線與屏蔽,去耦電容的擺放和聯接等。
設計輸出輸出光繪文件的注意事項:
a.須要輸出的層有布線層(底層)、絲印層(包括頂樓絲印、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(NCDrill)
b.設置絲印層的Layer時,不要選擇PartType,選擇頂樓(底層)和絲印層的、Text、Line。
c.在設置每層的Layer時,將Board選上,設置絲印層的Layer時,不要選擇PartType,選擇頂樓(底層)和絲印層的、Text、Line。
d.生成鉆孔文件時,使用PowerPCB的缺省設置,不要作任何改。