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開關電源適配器的印制板設計

發布時間:2021.07.23 15:38 瀏覽次數:343
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開關電源適配器的PCB印制板設計與一般電子線路的印制板設計既有相似之處,也有不同的特點。一般電子線路的印制板設計中提到的布線、布局及銅箔厚度、寬度與通過電流的關系等原則,在開關電源的印制板設計中也同樣適用。開關電源中除了常用標準封裝的電阻、電容以及集成電路以外,還包含著大量非標準封裝的電感、高頻變壓器、散熱器、大容量高壓電解電容、大功率二極管、三極管、各種濾波元件等等。這些元件的封裝要在印制板設計之前,可以根據廠家提供的安裝外形尺寸或者實物的實際測量確定。印制板設計時,要考慮到干擾對系統的影響,將電路的模擬部分和數字部分的電路嚴格分開,對核心電路重點防護,將系統地線環繞,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,設計隔離電源,分析容易產生干擾的部分(如時鐘電路、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措施,并且將它們在空間和電氣上拉開距離。在印制板設計時,還要注意元器件放置要遠離印制板邊沿,這對防護空氣放電是有利的。
開關電源適配器的印制板設計中要特別注意如下問題:
1.元器件布局問題
2.地線布線問題
3.取樣點選擇問題
4.高壓回路與低壓回路隔離間距問題
開關電源適配器中的元件布局,重點考慮主電路關鍵器件。開關電源中輸入濾波高壓電容、高頻變壓器的一次繞組和開關功率管組成一個較大脈沖回路。高頻變壓器的二次繞組、續流或者整流二極管和輸出濾波電容組成另一個較大脈沖電流回路。這兩個回路要布局緊湊,銅箔走線短捷;這樣可以減小泄露電感,從而降低吸收回路的損耗,提高電源的效率。
開關電源適配器的地線回路,不論是一次回路還是二次回路,都要有很大的脈沖電流通過。盡管地線通常設計得比較寬,但還會造成較大的電壓降落,從而影響控制電路的性能。地線的布線要考慮電流密度的分布和電流的流向,避免地線上的壓降被引入控制回路,造成負載調整率下降。
開關電源適配器中取樣點選擇尤為重要,在取樣回路中,既要考慮負載電流產生的壓降,也要考慮整流或者續流電路產生的脈沖電流對取樣的影響。取樣點應該盡量選擇在輸出端子的兩端,以便得到最好的負載調整率。
走線間距:隨著印制線路板制造工藝的不斷完善和提高,一般加工廠制造出的最小線間距達到0.1mm,完全能夠滿足大多數應用場合。考慮到開關電源所采用的元器件及生產工藝,一般雙面板最小線間距設為0.3mm,單面板最小線間距設為0.5mm,焊盤與焊盤、焊盤與過孔或過孔與過孔,最小間距設為0.5mm,可避免在過波峰焊接過程中出現“連錫”短路現象。這樣大多數制板廠都能夠很輕松滿足生產要求,并可以把成品率控制得非常高,亦可實現合理的布線密度及有一個較經濟的成本。
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,當線間電壓大于該值時一般可按照500V/1mm經驗值取線間距。
方法一: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放電間隙,常見于開關電源適配器高壓回路與電壓回路隔離的地方。該法在模塊電源中得到了廣泛的應用,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殼間,這種材料有機械強度高,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用。在元件和周圍導體間也可墊絕緣薄膜來提高絕緣抗電性能。
走線電流密度:現在多數電子線路采用絕緣板縛銅構成。常用線路板銅皮厚度為35μm,走線可按照1A/mm經驗值取電流密度值,具體計算可參見教科書。為保證走線機械強度原則線寬應大于或等于0.3mm。銅皮厚度為70μm 線路板也常見于開關電源,那么電流密度可更高些。
模塊電源行列也有部分產品采用多層板,主要便于集成變壓器電感等功率器件,優化接線、功率管散熱等。具有工藝美觀一致性好,變壓器散熱好的優點,但其缺點是成本較高,靈活性較差,僅適合于工業化大規模生產。
單面板,市場流通通用開關電源適配器幾乎都采用了單面線路板,其具有低成本的優勢,在設計,及生產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械結構性能,單面板焊盤應稍微大一些,以確保銅皮和基板的良好縛著力,而不至于受到震動時銅皮剝離、斷脫。一般焊環寬度應大于 0.3mm。焊盤孔直徑應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,可加強與線路板間連接強度,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度較高,焊環可比單面板小一些,焊盤孔孔徑可 比管腳直徑略微大一些,因為在焊接過程中有利于焊錫溶液通過焊孔滲透到頂層焊盤,以增加焊接可靠性。如寬度不夠,一般可采用在走線上鍍錫增加厚度進行解決,其方法有好多種。
1.將走線設置成焊盤屬性,這樣在線路板制造時該走線不會被阻焊劑覆蓋,熱風整平時會被鍍上錫。
2.在布線處放置焊盤,將該焊盤設置成需要走線的形狀,要注意把焊盤孔設置為零。
3.在阻焊層放置線,此方法最靈活,但不是所有線路板生產商都會明白你的意圖,需用文字說明。在阻焊層放置線的部位會不涂阻焊劑
線路鍍錫的幾種方法如上。一般可采用細長條鍍錫寬度在1~1.5mm,長度可根據線路來確定,鍍錫部分間隔0.5~1mm 雙面線路板為布局、走線提供了很大的選擇性,可使布線更趨于合理。關于接地,功率地與信號地一定要分開,兩個地可在濾波電容處匯合,以避免大脈沖電流通過 信號地連線而導致出現不穩定的意外因素,信號控制回路盡量采用一點接地法。
電壓反饋取樣,為避免大電流通過走線的影響,反饋電壓的取樣點一定要放在電源輸出最末梢,以提高整機負載效應指標。
走線從一個布線層變到另外一個布線層一般用過孔連通,不宜通過器件管腳焊盤實現,因為在插裝器件時有可能破壞這種連接關系,還有在每1A電流通過時,至少應有2個過孔,過孔孔徑原則要大于0.5mm,一般0.8mm可確保加工可靠性。
最近幾年,隨著多層線路板在開關電源適配器電路中應用,使得印制線路變壓器成為可能,由于多層板,層間距較小,也可以充分利用變壓器窗口截面,可在主線路板上再加一到兩片由多層板組成的印制線圈達到利用窗口,降低線路電流密度的目的,由于采用印制線圈,減少了人工干預,變壓器一致性好,平面結構,漏感低,偶合好。開啟式磁芯,良好的散熱條件。由于其具有諸多的優勢,有利于大批量生產,所以得到廣泛的應用。  

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