開(kāi)關(guān)電源PCB板設計步驟
一、從原理圖到PCB的設計流程
建立元件參數-》輸入原理網(wǎng)表-》設計參數設置-》手工布局-》手工布線(xiàn)-》驗證設計-》復查-》CAM輸出。
二、參數設置
相鄰導線(xiàn)間距必須能滿(mǎn)足電氣安全要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距也應盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓，在布線(xiàn)密度較低時(shí)，信號線(xiàn)的間距可適當地加大，對高、低電平懸殊的信號線(xiàn)應盡可能地短且加大間距，一般情況下將走線(xiàn)間距設為焊盤(pán)內孔邊緣到印制板邊的距離要大于1mm，這樣可以避免加工時(shí)導致焊盤(pán)缺損。當與焊盤(pán)連接的走線(xiàn)較細時(shí)，要將焊盤(pán)與走線(xiàn)之間的連接設計成水滴狀，這樣的好處是焊盤(pán)不容易起皮，而是走線(xiàn)與焊盤(pán)不易斷開(kāi)。
三、元器件布局
實(shí)踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會(huì )對電子設備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細平行線(xiàn)靠得很近，則會(huì )形成信號波形的延遲，在傳輸線(xiàn)的終端形成反射噪聲；由于電源、地線(xiàn)的考慮不周到而引起的干擾，會(huì )使產(chǎn)品的性能下降，因此，在設計印制電路板的時(shí)候，應注意采用正確的方法。每一個(gè)開(kāi)關(guān)電源都有四個(gè)電流回路：
?。?）、電源開(kāi)關(guān)交流回路
?。?）、輸出整流交流回路
?。?）、輸入信號源電流回路
?。?）、輸出負載電流回路 輸入回路通過(guò)一個(gè)近似直流的電流對輸入電容充電，濾波電容主要起到一個(gè)寬帶儲能作用；類(lèi)似地，輸出濾波電容也用來(lái)儲存來(lái)自輸出整流器的高頻能量，同時(shí)消除輸出負載回路的直流能量。所以，輸入和輸出濾波電容的接線(xiàn)端十分重要，輸入及輸出電流回路應分別只從濾波電容的接線(xiàn)端連接到電源；如果在輸入/輸出回路和電源開(kāi)關(guān)/整流回路之間的連接無(wú)法與電容的接線(xiàn)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(kāi)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，其頻率遠大于開(kāi)關(guān)基頻，峰值幅度可高達持續輸入/輸出直流電流幅度的5倍，過(guò)渡時(shí)間通常約為50ns.這兩個(gè)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(xiàn)布線(xiàn)之前先布好這些交流回路，每個(gè)回路的三種主要的元件濾波電容、電源開(kāi)關(guān)或整流器、電感或變壓器應彼此相鄰地進(jìn)行放置，調整元件位置使它們之間的電流路徑盡可短。
建立開(kāi)關(guān)電源布局的最好方法與其電氣設計相似，最佳設計流程如下：
◆放置變壓器
◆設計電源開(kāi)關(guān)電流回路
◆設計輸出整流器電流回路
◆設計輸入電流源回路和輸入濾波器設計輸出負載回路和輸出濾波器根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：
?。?）首先要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線(xiàn)條長(cháng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過(guò)小則散熱不好，且鄰近線(xiàn)條易受干擾。電路板的最佳形狀矩形，長(cháng)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
?。?）放置器件時(shí)要考慮以后的焊接，不要太密集；
?。?）以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應均勻、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(xiàn)和連接，去耦電容盡量靠近器件的
?。?）在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀(guān)，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。
?。?）按照電路的流程安排各個(gè)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。
?。?）布局的首要原則是保證布線(xiàn)的布通率，移動(dòng)器件時(shí)注意飛線(xiàn)的連接，把有連線(xiàn)關(guān)系的器件放在一起。
?。?）盡可能地減小環(huán)路面積，以抑制開(kāi)關(guān)電源的輻射干擾。
四、布線(xiàn)開(kāi)關(guān)電源中包含有高頻信號
PCB上任何印制線(xiàn)都可以起到天線(xiàn)的作用，印制線(xiàn)的長(cháng)度和寬度會(huì )影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應。即使是通過(guò)直流信號的印制線(xiàn)也會(huì )從鄰近的印制線(xiàn)耦合到射頻信號并造成電路問(wèn)題（甚至再次輻射出干擾信號）。因此應將所有通過(guò)交流電流的印制線(xiàn)設計得盡可能短而寬，這意味著(zhù)必須將所有連接到印制線(xiàn)和連接到其他電源線(xiàn)的元器件放置得很近。印制線(xiàn)的長(cháng)度與其表現出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線(xiàn)的電感量和阻抗成反比。長(cháng)度反映出印制線(xiàn)響應的波長(cháng)，長(cháng)度越長(cháng)，印制線(xiàn)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。根據印制線(xiàn)路板電流的大小，盡量加租電源線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)、使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和電流的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。接地是開(kāi)關(guān)電源四個(gè)電流回路的底層支路，作為電路的公共參考點(diǎn)起著(zhù)很重要的作用，它是控制干擾的重要方法。因此，在布局中應仔細考慮接地線(xiàn)的放置，將各種接地混合會(huì )造成電源工作不穩定。
在地線(xiàn)設計中應注意以下幾點(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(diǎn)上，主要是考慮電路各部分回流到地的電流是變化的，因實(shí)際流過(guò)的線(xiàn)路的阻抗會(huì )導致電路各部分地電位的變化而引入干擾。在本開(kāi)關(guān)電源中，它的布線(xiàn)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(kāi)關(guān)電流回路（中的幾個(gè)器件的地線(xiàn)都連到接地腳上，輸出整流器電流回路的幾個(gè)器件的地線(xiàn)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(diǎn)時(shí)，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(xiàn)若接地線(xiàn)很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設備的定時(shí)信號電平不穩，抗噪聲性能變壞，因此要確保每一個(gè)大電流的接地端采用盡量短而寬的印制線(xiàn)，盡量加寬電源、地線(xiàn)寬度，最好是地線(xiàn)比電源線(xiàn)寬，它們的關(guān)系是：地線(xiàn)》電源線(xiàn)》信號線(xiàn)，如有可能，接地線(xiàn)的寬度應大于3mm，也可用大面積銅層作地線(xiàn)用，在印制板上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線(xiàn)用。進(jìn)行全局布線(xiàn)的時(shí)候，還須遵循以下原則：
?。?）、布線(xiàn)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(xiàn)方向最好與電路圖走線(xiàn)方向相一致，因生產(chǎn)過(guò)程中通常需要在焊接面進(jìn)行各種參數的檢測，故這樣做便于生產(chǎn)中的檢查，調試及檢修（注：指在滿(mǎn)足電路性能及整機安裝與面板布局要求的前提下）。
?。?）、設計布線(xiàn)圖時(shí)走線(xiàn)盡量少拐彎，印刷弧上的線(xiàn)寬不要突變，導線(xiàn)拐角應≥90度，力求線(xiàn)條簡(jiǎn)單明了。
?。?）、印刷電路中不允許有交叉電路，對于可能交叉的線(xiàn)條，可以用“鉆”、“繞”兩種辦法解決。即讓某引線(xiàn)從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處“鉆” 過(guò)去，或從可能交叉的某條引線(xiàn)的一端“繞”過(guò)去，在特殊情況下如何電路很復雜，為簡(jiǎn)化設計也允許用導線(xiàn)跨接，解決交叉電路問(wèn)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(shí)候直插器件可與表貼器件交疊，但要避免焊盤(pán)重疊。
3.輸入地與輸出地本開(kāi)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，兩邊的電路應有共同的參考地，所以在對兩邊的地線(xiàn)分別鋪銅之后，還要連接在一起，形成共同的地。
五、檢查
布線(xiàn)設計完成后，需認真檢查布線(xiàn)設計是否符合設計者所制定的規則，同時(shí)也需確認所制定的規則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查線(xiàn)與線(xiàn)、線(xiàn)與元件焊盤(pán)、線(xiàn)與貫通孔、元件焊盤(pán)與貫通孔、貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。電源線(xiàn)和地線(xiàn)的寬度是否合適，在PCB中是否還有能讓地線(xiàn)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(shí)會(huì )出錯；另外每次修改過(guò)走線(xiàn)和過(guò)孔之后，都要重新覆銅一次。
六、復查根據“PCB檢查表”
內容包括設計規則，層定義、線(xiàn)寬、間距、焊盤(pán)、過(guò)孔設置，還要重點(diǎn)復查器件布局的合理性，電源、地線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的走線(xiàn)，高速時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )的走線(xiàn)與屏蔽，去耦電容的擺放和連接等。
七、設計輸出輸出光繪文件的注意事項
a. 需要輸出的層有布線(xiàn)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（NCDrill）
b. 設置絲印層的Layer時(shí)，不要選擇PartType，選擇頂層（底層）和絲印層的Outline、Text、Linec.在設置每層的Layer 時(shí)，將Board Outline選上，設置絲印層的Layer時(shí)，不要選擇PartType，選擇頂層（底層）和絲印層的Outline、Text、Line.d.生成鉆孔文件時(shí)，使用PowerPCB的缺省設置，不要作任何改。
開(kāi)關(guān)電源的PCB板布局走線(xiàn)
脈沖電壓連線(xiàn)盡可能短，其中輸入開(kāi)關(guān)管到變壓器連線(xiàn)，輸出變壓器到整流管連接線(xiàn)。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(kāi)關(guān)管返回電容負。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電容要盡里接近開(kāi)關(guān)電源輸入端，輸入線(xiàn)應避免與其他電路平行，應避開(kāi)。Y電容應放置在機殼接地端子或FG連接端。共摸電感應與變壓器保持一定距離，以避免磁偶合。如不好處理可在共摸電感與變壓器間加-屏蔽，以上幾項對開(kāi)關(guān)電源的EMC性能影響較大。
輸出電容- -般可采用兩只一只靠近整流管另一只應靠近輸出端子，可影響電源輸出紋波指標，兩只小容里電容并聯(lián)效果應優(yōu)于用一只大容里電容。發(fā)熱器件要和電解電容保持- -定距離，以延長(cháng)整機壽命，電解電容是開(kāi)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)口控制部分要注意：高阻抗弱信號電路連線(xiàn)要盡里短如取樣反饋環(huán)路，在處理時(shí)要盡里避免其受干擾、電流取樣信號電路，特別是電流控制型電路，處理不好易出現一一些想不到的意外，其中有一些技巧現以3843電路舉例見(jiàn)圖（1）圖-效果要好于圖二，圖=在滿(mǎn)載時(shí)用示波器觀(guān)測電流波形上明顯疊加尖刺，由于干擾限流點(diǎn)比設計值偏低，圖一則沒(méi)有這種現象、還有開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)信號電路，開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)電阻要靠近開(kāi)關(guān)管，可提高開(kāi)關(guān)管工作可靠性，這和功率MOSFE高直流阻抗電壓驅動(dòng)特性有關(guān)。
開(kāi)關(guān)電源PCB布局注意事項
首先還是借用眾多高速先生粉絲所提到的優(yōu)先觀(guān)點(diǎn)，不管是布局還是布線(xiàn)優(yōu)先參考芯片datasheet，一般手冊中都會(huì )給出layout guide指導，如下圖1所示：
圖1 ：某電源芯片layout guide
有了設計指導參考以后，貌似layout 工程師剩下就是看圖設計？哈哈，當你的單板設計變成圖2所示（很多時(shí)候我們單板空間有限，資料不是時(shí)時(shí)都能準備齊全的）：
圖2：結構限制單板空間不足
這時(shí)我們又該怎么去權衡我們的設計？在平常設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)還是有一些設計經(jīng)驗可循的（特殊非常規類(lèi)開(kāi)關(guān)電源設計，一定要按datasheet設計）。
第一步：確定開(kāi)關(guān)電源模塊在PCB板上的位置，開(kāi)關(guān)是一個(gè)強烈的EMI輻射源，應遠離時(shí)鐘、接口等敏感器件擺放，然后盡量的靠近我們的用電端，同時(shí)考慮散熱和裝配性等因素。
第二步：確定原理框圖中主電源通道，地的區別（電源地 、信號地、其他信號地）如下圖3所示：主電流通道（紅色）；地的區別（玫紅色和青綠色） ；反饋通道（藍色）
圖3
第三步：確定原理框圖中各個(gè)部分的核心器件：輸入濾波、開(kāi)關(guān)管、控制電路、輸出濾波器件的擺放。
1.開(kāi)關(guān)管：布局緊湊，布局考慮大電流通道，輸入輸出的地能夠直接相連。
2. 輸入濾波：緊靠開(kāi)關(guān)管，確保能做到大電流先濾波再進(jìn)入開(kāi)關(guān)管。
3. 輸出濾波：緊靠開(kāi)關(guān)管，確保大電流先濾波再進(jìn)入單板平面。
4. 輸入輸出回路：MOS管回路，續流管回路要盡量小。
5. 控制電路：
?。?）控制電路的比較電路，靠近控制芯片擺放；
?。?）控制電路的采樣電路，采樣電阻放在輸出濾波與比較電路的中間，布局時(shí)保證采樣電路盡量靠近芯片管腳，靠近比較電路；
?。?）控制電路本身的濾波網(wǎng)絡(luò )，電容盡量靠近相應管腳；且相關(guān)控制信號器件也盡量靠近芯片。
下面我們來(lái)看看我們設計中常見(jiàn)到的開(kāi)關(guān)電源的布局應用：
圖4-1：原理圖
圖4-2：布局展示
此類(lèi)電源在我們單板很常見(jiàn)吧！接下來(lái)我們看看下面的原理圖和布局展示：
圖5-1：原理圖
圖5-2：布局展示