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開關電源PCB設計


印制線路板(PCB)是電子產品中電路元件和器件的支撐件,它提供電路元件和器件之間的電氣連接,它是各種電子設備最基本的組成部分,它的性能直接關系到電子設備質量的好壞。如果這部分設計不當,會使電源工作不穩定,發射出過量的電磁干擾(EMI)。PCB設計是開關電源研發過程中極為重要的步驟和環節,關系到開關電源能否正常工作,生產是否順利進行,使用是否安全等問題。隨著功率半導體器件的發展和開關技術的進步,開關電源的開關頻率與功率密度變得越來越高。然而,開關電源開關頻率不斷提高和功率密度不斷增大使開關電源內部的電磁環境日趨復雜,帶來了開關電源PCB設計的EMC電磁兼容性問題。本文給出了開關電源PCB設計的一般步驟。

一、開關電源PCB的設計流程

每個開關電源通常都包含三個交流回路:電源開關交流回路、輸入整流回路、輸出整流回路。這些交流回路電流中諧波成分很高,其頻率遠大于開關頻率,峰值幅度很高。這三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,每個回路的主要元件如: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。

因此,最佳設計流程如下:

1)放置變壓器;2)設計電源開關電流回路;3)設計輸出電流回路;4)設計控制電路;5)設計輸入電流回路。

二、PCB與EMC

2.1 PCB尺寸

PCB尺寸過大時,印制線長,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。

2.2確定PCB的層數

根據電源、地的種類、信號線的密集程度、信號頻率、特殊布線要求的信號數量、周邊要素、成本價格等方面的綜合因素來確定PCB板的層數。要滿足EMC的嚴格指標并且考慮制造成本,適當增加地平面是PCB的EMC設計最好的方法之一。對電源層而言,一般通過內電層分割能滿足多種電源的需要,但若需要多種電源供電,且互相交錯,則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。對信號層而言,除了考慮信號線的走線密集度外,從EMC的角度,還需要考慮關鍵信號(如時鐘、驅動信號等)的屏蔽或隔離,以此確定是否增加相應層數。因此,開關電源中的PCB,如果成本允許,在PCB設計時盡量不選擇單面板或雙面板,而選擇多層板。

2.3 PCB上元器件的布局和走線原則

首先,對PCB板進行空間分割,降低PCB上不同類型的元器件之間互相干擾。空間分割的實施方法就是對元器件進行分組,可以根據電壓高低、數字器件或模擬器件、高速器件或低速器件以及電流大小等特點,對電路板上的不同單元進行功能分組,每個功能組的元器件彼此緊湊的放置在一起以便得到最短的線路長度和最佳的功能特性。高壓、大功率器件與低壓、小功率器件應保持一定間距,盡量分開布線。通用原則如下:

1)低電平信號線不能靠近高電平信號線,包括能產生瞬變的信號;2)將模擬電路和數字電路分開,避免模擬電路、數字電路和電源公共回線產生公共阻抗耦合;3)安排電路時要使得信號線長度盡量小;4)保證相鄰板之間、同一板相鄰層面之間、同一層面相鄰布線之間不能有過長的平行信號線;5)在每個IC的電源和地之間都應當有去耦電容,這些去耦電容應該盡可能的接近IC引腳,這將有助于濾除IC的開關噪聲;6)電磁干擾濾波器要盡可能靠近干擾源;7)電源開關元件和整流器應盡可能靠近變壓器放置,以使其導線長度最小;8)盡可能靠近整流二極管放置調壓元件和濾波電容器;9)對噪聲敏感的布線不要與大電流,高速開關線平行,比如開關器件的驅動信號。

此外,還應注意以下三點:

1)在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時.操作它們時均會產生較大火花放電,必須采用RC吸收電路來吸收放電電流。一般R取1~2kΩ,C取2.2~4.7μF;2)CMOS的輸入阻抗很高,且易受干擾,因此在使用時對不用端要通過電阻接地或接正電源;3)在電源或高壓電路中走線之間留有足夠爬電距離是安全的重要因素,一般爬電距離為500V/1mm。在高潮濕環境和高電壓使用下,可以采取走線間挖槽增強耐壓。

2.4開關電源PCB的接地設計

接地是開關電源三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,它是抑制干擾的重要方法。因此,在PCB設計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。因為電路各部分回流到地的電流是變化的,因此實際電流通過回路的阻抗不同會導致電路各部分地電位的變化而引入干擾。在開關電源中,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,因此采用一點接地,即將電源開關電流回路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,接在比較集中的一塊銅箔處也可以。

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,造成電子設備的信號電平不穩,抗噪聲性能變壞,因此要確保每一個大電流的接地端采用盡量短而寬的印制線,盡量加寬電源、地線寬度,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。結束語:開關電源印制線路板的電磁兼容設計既有普通產品PCB設計的共性,更有自己的特性。要設計一塊完美的開關電源PCB,需要大量的經驗積累。而隨著新型高速器件和大型集成電路的應用越來越廣泛,電子線路也越來越復雜,需要設計人員不斷提高設計水平,更加深入的研究抗干擾技術,設計出屬于自己的PCB精品。

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