開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)原則及走線技巧
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
開關(guān)電源是一種電壓轉(zhuǎn)換電路，主要的工作內(nèi)容是升壓和降壓，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子產(chǎn)品。因?yàn)殚_關(guān)三極管總是工作在 “開” 和“關(guān)” 的狀態(tài)，所以叫開關(guān)電源。開關(guān)電源實(shí)質(zhì)就是一個(gè)振蕩電路，這種轉(zhuǎn)換電能的方式，不僅應(yīng)用在電源電路，在其它的電路應(yīng)用也很普遍，如液晶顯示器的背光電路、日光燈等。開關(guān)電源與變壓器相比具有效率高、穩(wěn)性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是功率相對較小，而且會對電路產(chǎn)生高頻干擾，變壓器反饋式振蕩電路，能產(chǎn)生有規(guī)律的脈沖電流或電壓的電路叫振蕩電路，變壓器反饋式振蕩電路就是能滿足這種條件的電路。
開關(guān)電源分為，隔離與非隔離兩種形式，在這里主要談一談隔離式開關(guān)電源的拓?fù)湫问?，在下文中，非特別說明，均指隔離電源。隔離電源按照結(jié)構(gòu)形式不同，可分為兩大類：正激式和反激式。反激式指在變壓器原邊導(dǎo)通時(shí)副邊截止，變壓器儲能。原邊截止時(shí)，副邊導(dǎo)通，能量釋放到負(fù)載的工作狀態(tài)，一般常規(guī)反激式電源單管多，雙管的不常見。正激式指在變壓器原邊導(dǎo)通同時(shí)副邊感應(yīng)出對應(yīng)電壓輸出到負(fù)載，能量通過變壓器直接傳遞。按規(guī)格又可分為常規(guī)正激，包括單管正激，雙管正 激。半橋、橋式電路都屬于正激電路。
正激和反激電路各有其特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)電路的過程中為達(dá)到最優(yōu)性價(jià)比，可以靈活運(yùn)用。一般在小功率場合可選用反激式。稍微大一些可采用單管正激電路，中等功率可采用雙管正激電路或半橋電路，低電壓時(shí)采用推挽電路，與半橋工作狀態(tài)相同。大功率輸出，一般采用橋式電路，低壓也可采用推挽電路。
反激式電源因其結(jié)構(gòu)簡單，省掉了一個(gè)和變壓器體積大小差不多的電感，而在中小功率電源中得到廣泛的應(yīng)用。在有些介紹中講到反激式電源功率只能做到幾十瓦，輸出功率超過100瓦就沒有優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)起來有難度。本人認(rèn)為一般情況下是這樣的，但也不能一概而論，PI公司的TOP芯片就可做到300瓦，有文章介紹反激電源可做到上千瓦，但沒見過實(shí)物。輸出功率大小與輸出電壓高低有關(guān)。
反激電源變壓器漏感是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，由于反激電源需要變壓器儲存能量，要 使變壓器鐵芯得到充分利用，一般都要在磁路中開氣隙，其目的是改變鐵芯磁滯回線的斜率，使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊，而不至于鐵芯進(jìn)入飽和非線形狀 態(tài)，磁路中氣隙處于高磁阻狀態(tài)，在磁路中產(chǎn)生漏磁遠(yuǎn)大于完全閉合磁路。
脈沖電壓連線盡可能短，其中輸入開關(guān)管到變壓器連線，輸出變壓器到整流管連接線。脈沖電流環(huán)路盡可能小如輸入濾波電容正到變壓器到開關(guān)管返回電容負(fù)。輸出部分變壓器出端到整流管到輸出電感到輸出電容返回變壓器電路中X電容要盡量接 近開關(guān)電源輸入端，輸入線應(yīng)避免與其他電路平行，應(yīng)避開。Y電容應(yīng)放置在機(jī)殼接地端子或FG連接端。共摸電感應(yīng)與變壓器保持一定距離，以避免磁偶合。
輸出電容一般可采用兩只一只靠近整流管另一只應(yīng)靠近輸出端子，可影響電源輸出紋波指標(biāo)，兩只小容量電容并聯(lián)效果應(yīng)優(yōu)于用一只大容量電容。發(fā)熱器件要和電解 電容保持一定距離，以延長整機(jī)壽命，電解電容是開關(guān)電源壽命的瓶勁，如變壓器、功率管、大功率電阻要和電解保持距離，電解之間也須留出散熱空間，條件允許可將其放置在進(jìn)風(fēng)口。
二、印制板布線的一些原則
印制板設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到干擾對系統(tǒng)的影響，將電路的模擬部分和數(shù)字部分的電路嚴(yán)格分開，對核心電路重點(diǎn)防護(hù)，將系統(tǒng)地線環(huán)繞，并布線盡可能粗，電源增加濾波電路，采用DC-DC隔離，信號采用光電隔離，設(shè)計(jì)隔離電源，分析容易產(chǎn)生干擾的部分（如時(shí)鐘電路、通訊電路等）和容易被干擾的部分（如模擬采樣電路等），對這兩種類型的電路分別采取措施。對于干擾元件采取抑制措施，對敏感元件采取隔離和保護(hù)措施，并且將它們在空間和電氣上拉開距離。在板級設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意元器件放置要遠(yuǎn)離印制板邊沿，這對防護(hù)空氣放電是有利的。樣電路的原理圖設(shè)計(jì)參見圖1
圖1 原理圖
最小線間距只適合信號控制電路和電壓低于63V的低壓電路，當(dāng)線間電壓大于該值時(shí)一般可按照500V/1mm經(jīng)驗(yàn)值取線間距。
方法一：上文提到的線路板開槽的方法適用于一些間距不夠的場合，順便提一下，該法也常用來作為保護(hù)放電間隙，常見于電視機(jī)顯象管尾板和電源交流輸入處。該法在模塊電源中得到了廣泛的應(yīng)用，在灌封的條件下可獲得很好的效果。
方法二：墊絕緣紙，可采用青殼紙、聚脂膜、聚四氟乙烯定向膜等絕緣材料。一般通用電源用青殼紙或聚脂膜墊在線路板于金屬機(jī)殼間，這種材料有機(jī)械強(qiáng)度高，有 有一定抗潮濕的能力。聚四氟乙烯定向膜由于具有耐高溫的特性在模塊電源中得到廣泛的應(yīng)用。在元件和周圍導(dǎo)體間也可墊絕緣薄膜來提高絕緣抗電性能。
鋁基板由其本身構(gòu)造，具有以下特點(diǎn)：導(dǎo)熱性能非常優(yōu)良、單面縛銅、器件只能放置在縛銅面、不能開電器連線孔所以不能按照單面板那樣放置跳線。
鋁基板上一般都放置貼片器件，開關(guān)管，輸出整流管通過基板把熱量傳導(dǎo)出去，熱阻很低，可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結(jié)構(gòu)，也可通過基板散熱，其溫 升比常規(guī)要低，同樣規(guī)格變壓器采用鋁基板結(jié)構(gòu)可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以采用搭橋的方式處理。鋁基板電源一般由由兩塊印制板組成，另外一塊板放 置控制電路，兩塊板之間通過物理連接合成一體。
由于鋁基板優(yōu)良的導(dǎo)熱性，在小量手工焊接時(shí)比較困難，焊料冷卻過快，容易出現(xiàn)問題現(xiàn)有一個(gè)簡單實(shí)用的方法，將一個(gè)燙衣服的普通電熨斗（最好有調(diào)溫功能）， 翻過來，熨燙面向上，固定好，溫度調(diào)到150℃左右，把鋁基板放在熨斗上面，加溫一段時(shí)間，然后按照常規(guī)方法將元件貼上并焊接，熨斗溫度以器件易于焊接為 宜，太高有可能時(shí)器件損壞，甚至鋁基板銅皮剝離，溫度太低焊接效果不好，要靈活掌握。
三、印制板銅皮走線的一些事項(xiàng)
走線電流密度：現(xiàn)在多數(shù)電子線路采用絕緣板縛銅構(gòu)成。常用線路板銅皮厚度為35μm，走線可按照1A/mm經(jīng)驗(yàn)值取電流密度值，具體計(jì)算可參見教科書。為 保證走線機(jī)械強(qiáng)度原則線寬應(yīng)大于或等于0.3mm。銅皮厚度為70μm 線路板也常見于開關(guān)電源，那么電流密度可更高些。
模塊電源行列也有部分產(chǎn)品采用多層板，主要便于集成變壓器電感等功率器件，優(yōu)化接線、功率管散熱等。具有工藝美觀一致性好，變壓器散熱好的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是成本較高，靈活性較差，僅適合于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
單面板，市場流通通用開關(guān)電源幾乎都采用了單面線路板，其具有低成本的優(yōu)勢，在設(shè)計(jì)，及生產(chǎn)工藝上采取一些措施亦可確保其性能。
為保證良好的焊接機(jī)械結(jié)構(gòu)性能，單面板焊盤應(yīng)稍微大一些，以確保銅皮和基板的良好縛著力，而不至于受到震動時(shí)銅皮剝離、斷脫。一般焊環(huán)寬度應(yīng)大于 0.3mm。焊盤孔直徑應(yīng)略大于器件引腳直徑，但不宜過大，保證管腳與焊盤間由焊錫連接距離最短，盤孔大小以不妨礙正常查件為度，焊盤孔直徑一般大于管腳 直徑0.1-0.2mm。多引腳器件為保證順利查件，也可更大一些。
單面板上元器件應(yīng)緊貼線路板。需要架空散熱的器件，要在器件與線路板之間的管腳上加套管，可起到支撐器件和增加絕緣的雙重作用，要最大限度減少或避免外力 沖擊對焊盤與管腳連接處造成的影響，增強(qiáng)焊接的牢固性。線路板上重量較大的部件可增加支撐連接點(diǎn)，可加強(qiáng)與線路板間連接強(qiáng)度，如變壓器，功率器件散熱器。
雙面板焊盤由于孔已作金屬化處理強(qiáng)度較高，焊環(huán)可比單面板
評論