电源开关PCB设计 - 北京泛华科电科技公司企业论坛 - 中国自动化企业中心

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发表人：qinye

发表时间：2019/7/8 13:21:00

本栏论题：

电源开关PCB设计 [782]

    PCB设计是开关电源的基础材料，可为电子元器件提供固定装配的机械支撑，实现电路的电气连接和电气绝缘，同时也为组装、焊接、检查和维修提供必要的装配图形和符号。

    开关电源PCB常用的印制电路板基材开关电源PCB通常采用的是刚性印制电路板基材。常用的刚性印制电路板基材如下所示。

    酚醛纸质覆铜箔板酚醛纸质覆铜箔板又称纸质铜箔板。它是由绝缘浸渍纸或棉纤维纸浸以酚醛树脂，在两表面覆上单张的无碱玻璃布，然后覆以电解紫铜箔，经热压而成的板状层压制品。酚醛纸质覆铜箔板的电气性能和机械性能较差。酚醛树脂的最大缺点是易吸水，一旦吸水后，电气性能就会降低。另外，酚醛纸质覆铜箔板的工作温度不宜超过100℃，达到120℃以上会使其电性能不稳定。但由于酚醛纸质覆铜箔板的价格便宜，故在民用和一般产品中仍获得了广泛应用。

    环氧酚醛玻璃布覆铜箔板环氧酚醛玻璃布覆铜箔板的基板全部用无碱玻璃布浸以环氧酚醛树脂，然后再覆以电解紫铜箔，经热压而成。环氧酚醛玻璃布覆铜箔板是优良的印制电路板材料，受潮湿的影响小，能工作在较高的温度，在260℃熔锡中浸焊不起泡，可以在环境条件较差的电路和高频电路中使用。单双面的环氧酚醛玻璃布覆铜箔板是开关电源比较常用的印制电路板，具有比较适中的性能价格比。常见的这类印制电路板的厚度为0.5mm、1mm、1.5mm和2mm。在开关电源中，较少使用多层印制电路板。

    聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板采用无碱玻璃布浸渍聚四氟乙烯分散乳液作为基板，覆上经氧化处理处后的电解紫铜箔，经高温、高压压制而成。聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板具有优良的介电性能和化学稳定性，介质损耗小，是一种耐高温、高绝缘性能的材料。它的工作温度较宽，在-230～+260℃之间。它在200℃以下可长期使用，在300℃以下可间断使用；对于所有酸、碱及化学溶剂有较好的惰性。但这种材料的价格昂贵，主要用在军工和高频微波设备中，在一般的开关电源中几乎不用。制导线电阻造成的电压降。一条宽度为1mm，厚度为50μm的印制导线的电压降。印制导线的电压降，覆铜箔板的绝缘电阻和抗电强度覆铜箔板的绝缘电阻和抗电强度。覆铜箔板的绝缘电阻覆铜箔板的抗电强度。

    　开关电源PCB布局的一般原则小型、高速和高密度化是开关电源的产品发展方向，由此导致的产品电磁兼容问题变得越来越严重，而一个好的开关电源的PCB设计是解决开关电源电磁兼容问题的关键之一。在开关电源中，PCB是开关电源的电气部件和机械部件的载体。

    在PCB上，按照一定要求，将元器件合理地布局是设计符合要求的PCB的基础。由于设计人员的设计经验不同，同一个电路可以有许多不同的PCB布局方案，不同的方案在抑制射频辐射干扰、保障器件的可靠性、提高开关电源的工作效率和稳定性上会有很大差异。一个好的PCB布局方案能使设计出来的开关电源满足产品的电气性能要求，并稳定可靠工作；反之，则不能达到设计目标。在开关电源的设计过程中，开关电源的电路设计与PCB布局和走线同样重要。

    一个好的开关电源PCB布局方案的要求如下所示。

    ① 能够保证达到开关电源的技术指标（包括电性能指标、安全性能指标及电磁兼容性能指标）要求。
    ② 生产工艺合理，元器件便于安装，产品便于维护。在进行开关电源的PCB布局时，通常要求遵守以下一般原则。
    ① 按照电原理图来安排各功能电路的位置和区域，根据信号的流向（一般为交流电源的输入滤波部分→高压整流和滤波部分→高频逆变部分→低压整流输出部分）布局，尽量使信号保持方向一致，使信号流通顺畅。这样的布局也便于在生产过程中检查、调试及检修产品。
    ② 确定合适的开关电源PCB的尺寸。出于成本的考虑，在一般的开关电源中通常都使用单层或双层印制电路板。随着开关电源工作频率的提高，开关电源线路越来越复杂，单层板和双层印制电路板的电磁兼容问题也越来越突出。 PCB的尺寸会给PCB的走线长度、发热元器件的散热、电磁骚扰的发射等带来影响。PCB的走线过长，会使线路的阻抗增加，电磁骚扰的发射增加，抗干扰能力减弱；反之，PCB的尺寸过小，则会使开关电源发热部分的散热不好，邻近线条间的相互干扰增加。 PCB的最佳形状是矩形，推荐的长宽比为3:2或4:3。当PCB的尺寸大于200mm×150mm时，应当考虑它的机械强度。
    ③ 在开关电源PCB的尺寸确定后，需要确定与PCB和整机结构相配合的元器件（如电源插座、指示灯和接插件等）的位置，以及开关电源中的大器件和特殊器件（如高频变压器、发热元器件和集成电路等）的位置。
    ④ PCB上的元器件可以采用水平和直立两种安装方式，在同一块PCB上的元器件安装方式应当一致。对于体积较大的元器件（如大功率的线绕电阻，3W以上），应该采用水平方式安装，避免局部安装的高度过高及机械抗振性能变差。对于质量超过15g的元器件，不能仅仅依靠元器件本身的引线进行安装，需要采用支架来固定。
    ⑤ 对于发热比较大的器件，将其安装在PCB表面时必须考虑散热问题，防止由于器件发热而使印制电路板表面碳化。对于那些又大、又重、发热又多的元器件，不宜放在印制电路板的中心部分，应当加装散热器，并把它安排在PCB的外侧方向，必要时还可以通过开关电源的外壳来帮助散热。
    ⑥ 考虑到在大批量生产的流水线插件和波峰焊时要使用导轨槽。为避免由于加工中引起的边缘部分的缺损，在PCB上的元器件一般要求离PCB边缘3mm以上。如果由于印制电路板上的元器件太多，不能够保证留出3mm距离时，则可在PCB上设辅边，在辅边和主板连接的地方开V形槽，在全部加工结束后由人工掰断。
    ⑦ 应当尽可能将开关电源的交流输入部分和直流输出部分隔离，避免相互间靠得太近，防止电磁骚扰发射通过线路间的电磁耦合使原本“干净”的输出受“污染”。不要在离磁场干扰源比较近的地方安排开关电源的反馈控制部分，以免使导线和元器件捡拾交变磁场。
    ⑧ 以每个功能电路的核心元器件为中心，围绕核心元器件来进行元器件的布局。元器件应在满足工艺要求的条件下均匀、整齐、紧凑地排列在印制电路板上，且应尽可能缩短各元器件之间的连接线距离，以减少元器件之间的分布参数的影响。
    ⑨ 对于某些载有高电压、大电流的器件和线路，要加大它们与其他元器件的距离，以避免由于高压放电引起的意外短路。考虑到工艺过程，应尽可能将带高电压的器件尽量布置在调试、维修人员的手不易触及的地方。
    ⑩ 缓冲电路在布局上应尽可能靠近开关管和输出二极管。对开关电源的输出部分进行滤波时，可以采用多个容量较小的电解电容来代替一个容量较大的电解电容。采用多个较小的电解电容的并联，可以提供比只使用一个较大容量的电解电容更小的等效串联阻抗，有利于提高开关电源的输出滤波性能，而且也不一定会增加滤波电路部分的总体积。注意高频变压器和扼流圈等元器件产生的磁场干扰会对开关电源的工作产生影响。变压器的漏磁场既会在切割环形地线时产生感应电流，也会在PCB的平面上产生感应电动势。变压器的漏磁场产生的干扰要想抑制由高频变压器和扼流圈产生的磁场干扰，除了需要采取必要的屏蔽外，还应在排版中合理安排元器件的位置。合理地选择元器件的安装位置，可以减小磁场的干扰，降低元器件对屏蔽的要求，甚至可以省去屏蔽，这对降低成本、简化结构和减小质量也具有重要的意义。在开关电源的PCB上通常都包含高压和低压部分（区域）。高压和低压这两部分之间的元器件需要分开放置，隔离的距离与承受的试验电压有关。在2kV试验电压时，离开的距离要求在2mm以上；当试验电压要求在3kV以上时，离开的距离应当大于3.5mm。在有些情况下，为避免爬电，还要求在PCB上的高压和低压区域之间开一定宽度的槽。采用引脚插入安装的元器件一律放置在电路板的元器件面。每个元器件插入孔都是单独使用的，不允许两个元器件的引脚共用一个安装孔。元器件的安装孔距离选择要适当，不能让元器件的外壳相碰，或让外壳与元器件的引脚相碰。元器件的外壳之间或外壳与元器件引脚之间要有一定的安全距离。安全距离可根据元器件的工作电压按200V/mm计算。另外，印制电路板上的元器件不能交叉或重叠安装

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