工程師需了解的電源PCB設(shè)計流程及要點(diǎn)解析
一、 從原理圖到PCB的設(shè)計流程
建立元件參數(shù)－》輸入原理網(wǎng)表-》設(shè)計參數(shù)設(shè)置-》手工布局-》手工布線-》驗(yàn)證設(shè)計－》復(fù)查-》CAM輸出。
二、 參數(shù)設(shè)置
相鄰導(dǎo)線間距必須能滿足電氣安全要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距也應(yīng)盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓，在布線密度較低時，信號線的間距可適當(dāng)?shù)丶哟，對高、低電平懸殊的信號線應(yīng)盡可能地短且加大間距，一般情況下將走線間距設(shè)為8mil。焊盤內(nèi)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(dǎo)致焊盤缺損。當(dāng)與焊盤連接的走線較細(xì)時，要將焊盤與走線之間的連接設(shè)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(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計正確，印制電路板設(shè)計不當(dāng)，也會對電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細(xì)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(chǎn)品的性能下降，因此，在設(shè)計印制電路板的時候，應(yīng)注意采用正確的方法。每一個開關(guān)電源都有四個電流回路：
（1）電源開關(guān)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(fù)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(fù)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(yīng)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(guān)/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(huán)境中去。
電源開關(guān)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(yuǎn)大于開關(guān)基頻，峰值幅度可高達(dá)持續(xù)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(chǎn)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(guān)或整流器、電感或變壓器應(yīng)彼此相鄰地進(jìn)行放置，調(diào)整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短。
建立開關(guān)電源布局的最好方法與其電氣設(shè)計相似，最佳設(shè)計流程如下：
1、放置變壓器
2、設(shè)計電源開關(guān)電流回路
3、設(shè)計輸出整流器電流回路
4、連接到交流電源電路的控制電路
設(shè)計輸入電流源回路和輸入濾波器 設(shè)計輸出負(fù)載回路和輸出濾波器根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)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(jìn)行布局。元器件應(yīng)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(shù)。一般電路應(yīng)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(chǎn)。
（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(guān)系的器件放在一起。
（7） 盡可能地減小環(huán)路面積，以抑制開關(guān)電源的輻射干擾。
四、布線
開關(guān)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(yīng)。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(yīng)將所有通過交流電流的印制線設(shè)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(xiàn)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(yīng)的波長，長度越長，印制線能發(fā)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(jù)印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環(huán)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(qiáng)抗噪聲能力。接地是開關(guān)電源四個電流回路的底層支路，作為電路的公共參考點(diǎn)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(yīng)仔細(xì)考慮接地線的放置，將各種接地混合會造成電源工作不穩(wěn)定。
在地線設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點(diǎn) ：
1、正確選擇單點(diǎn)接地通常，濾波電容公共端應(yīng)是其它的接地點(diǎn)耦合到大電流的交流地的唯一連接點(diǎn)，同一級電路的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級接地點(diǎn)上，主要是考慮電路各部分回流到地的電流是變化的，因?qū)嶋H流過的線路的阻抗會導(dǎo)致電路各部分地電位的變化而引入干擾。在本開關(guān)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(huán)流對干擾影響較大，因而采用一點(diǎn)接地，即將電源開關(guān)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(yīng)的濾波電容的接地腳上，這樣電源工作較穩(wěn)定，不易自激。做不到單點(diǎn)時，在共地處接兩二極管或一小電阻，其實(shí)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(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞，因此要確保每一個大電流的接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(guān)系是：地線＞電源線＞信號線，如有可能，接地線的寬度應(yīng)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(jìn)行全局布線的時候，還須遵循以下原則
開關(guān)電源PCB設(shè)計技巧和電氣安全規(guī)范
（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(chǎn)過程中通常需要在焊接面進(jìn)行各種參數(shù)的檢測，故這樣做便于生產(chǎn)中的檢查，調(diào)試及檢修（注：指在滿足電路性能及整機(jī)安裝與面板布局要求的前提下）。 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(chǎn)過程中通常需要在焊接面進(jìn)行各種參數(shù)的檢測，故這樣做便于生產(chǎn)中的檢查，調(diào)試及檢修（注：指在滿足電路性能及整機(jī)安裝與面板布局要求的前提下）。
（2）。設(shè)計布線圖時走線盡量少拐彎，印刷弧上的線寬不要突變，導(dǎo)線拐角應(yīng)≥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(fù)雜，為簡化設(shè)計也允許用導(dǎo)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(guān)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(yīng)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、間距
對于高電壓產(chǎn)品必須要考慮到線間距。能滿足相應(yīng)安規(guī)要求的間距當(dāng)然最好，但很多時候?qū)τ诓恍枰J(rèn)證，或沒法滿足認(rèn)證的產(chǎn)品，間距就由經(jīng)驗(yàn)決定了。
多寬的間距合適？必須考慮生產(chǎn)能否保證板面清潔、環(huán)境濕度、其他污染等情況如何。
對于市電輸入，即使能保證板面清潔、密封，MOS管漏源極間接近600V，小于1mm事實(shí)上也比較危險了！
六、板邊緣的元器件
在PCB邊沿的貼片電容或其他易損壞的器件，在放置時必須考慮PCB分板方向，如圖是各種放置方法時，器件受到的應(yīng)力大小對比。
分板時器件受到的應(yīng)力對比
由此可以看出，器件應(yīng)遠(yuǎn)離并平行于分板邊緣，否則可能因?yàn)镻CB分板導(dǎo)致元器件受損。
七、環(huán)路面積
無論是輸入或是輸出、功率環(huán)路或信號環(huán)路，應(yīng)盡可能的小。功率環(huán)路發(fā)射電磁場，將導(dǎo)致較差的EMI特性或較大的輸出噪聲；同時，若被控制環(huán)接收，很可能引起異常。
另一方面，若功率環(huán)路面積較大，其等效寄生電感也會增大，可能增加漏極噪聲尖峰。
八、關(guān)鍵走線
因di/dt 作用，必須減小動態(tài)節(jié)點(diǎn)處電感，否則會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場。若要減小電感，主要是要減少布線的長度，增加寬度作用較小。
九、信號線
對于整個控制部分，布線時應(yīng)考慮將其遠(yuǎn)離功率部分。若因其他限制兩者靠得較近，不應(yīng)將控制線與功率線并行，否則可能導(dǎo)致電源工作異常、震蕩。
另外若控制線很長，應(yīng)該將來回的一對線的靠近，或?qū)⒍咧糜赑CB的兩個面上并正對著，從而減小其環(huán)路面積，避免被功率部分的電磁場干擾。如圖2說明了A、B兩點(diǎn)間，正確與錯誤的信號線布線方法。
正確與錯誤的信號線布線方法
當(dāng)然，信號線上應(yīng)盡量減少用于連接的過孔！
十、鋪銅
有的時候鋪銅是完全沒有必要的，甚至應(yīng)該避免。若銅面積足夠大且其電壓不斷變化，一方面它可能作為天線,向周圍輻射電磁波；另一方面它又很容易拾起噪聲。
通常只允許在靜態(tài)節(jié)點(diǎn)鋪銅，例如對輸出端“地”節(jié)點(diǎn)鋪銅，可以等效增加輸出電容，濾除一些噪聲信號。
十一、映射
對于一個回路，可以在PCB的一面進(jìn)行鋪銅，它會根據(jù)PCB另一面的布線自動映射，使這個回路的阻抗最小。這就好像一組不同阻抗值的阻抗并聯(lián)，電流會自動選擇阻抗最小的路徑流過一樣。
事實(shí)上可以在控制部分電路的一面進(jìn)行連線，而在另一面對“地”節(jié)點(diǎn)鋪銅，兩個面間通過過孔連接。
十二、輸出整流二極管
輸出整流二極管若離輸出端比較近，不應(yīng)將其與輸出平行放置。否則二極管處產(chǎn)生的電磁場將穿入電源輸出與外接負(fù)載形成的環(huán)路，使測得的輸出噪聲增大。
正確與錯誤的二極管放置方向
十三、地線
地線的布線必須非常小心，否則可能引起EMS、EMI性能和其他性能變差。對于開關(guān)電源PCB的“地”，至少做到以下兩點(diǎn)：
功率地和信號地，應(yīng)單點(diǎn)連接；
不應(yīng)有存在地環(huán)路。
十四、Y電容
輸入輸出經(jīng)常會接入Y電容，有時因某些原因，可能無法將其掛在輸入電容地上，此時切記，一定要接在靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，如高壓端。
十五、其他
實(shí)際電源PCB設(shè)計時，可能還要考慮其他一些問題，例如“壓敏電阻應(yīng)緊靠被保護(hù)電路”、“共模電感應(yīng)增加放電齒”、“芯片VCC供電處應(yīng)增加瓷片電容”等等。另外，是否需特殊處理，如銅箔、屏蔽等，在PCB設(shè)計階段也是需要考慮的。
有時往往會遇到多個原則相互沖突的情況，滿足其中一個就滿足不了其他的，這是需要工程師應(yīng)用已有的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，確定最合適的布線了！
十六、檢查
布線設(shè)計完成后，需認(rèn)真檢查布線設(shè)計是否符合設(shè)計者所制定的規(guī)則，同時也需確認(rèn)所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)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(chǎn)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。
復(fù)查根據(jù)“PCB檢查表”，內(nèi)容包括設(shè)計規(guī)則，層定義、線寬、間距、焊盤、過孔設(shè)置，還要重點(diǎn)復(fù)查器件布局的合理性，電源、地線網(wǎng)絡(luò)的走線，高速時鐘網(wǎng)絡(luò)的走線與屏蔽，去耦電容的擺放和連接等。
十七、 設(shè)計輸出
輸出光繪文件的注意事項(xiàng)：
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。、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(shè)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。
c. 在設(shè)置每層的Layer時，將Board Outline選上，設(shè)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(shè)置，不要作任何改變。
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編輯：amy 最后修改時間：2019-05-15
