開關電源設計的一般注意事項(PCB)

1、1、 布局:脈沖電壓連線盡可能短,其中輸入開關管到變壓器連線,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. 2、 電路中X電容要盡量接近開關電源輸入端,輸入線應避免與其他電路平行,應避開.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一屏蔽,以上幾項對開關電源的EMC性能影響較大.      輸出電容一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

2、容量電容并聯(lián)效果應優(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,以延長整機壽命,電解電容是開關電源壽命的瓶勁,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風口.      控制部分要注意:高阻抗弱信號電路連線要盡量短如取樣反饋環(huán)路,在處理時要盡量避免其受干擾、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(xiàn)一些想不到的意外,其中有一些技巧,現(xiàn)以3843電路舉例見圖(1)圖一效果要好于圖二,圖二在滿載時用示波器觀測電流波形上明顯疊加 尖刺,由于干擾限流點比設計值偏低,圖一則沒有這種現(xiàn)象

3、、還有開關管驅(qū)動信號電路,開關管驅(qū)動電阻要靠近開關管,可提高開關管工作可靠性,這和功率 MOSFET高直流阻抗電壓驅(qū)動特性有關. 3、 線間距:隨著印制線路板制造工藝的不斷完善和提高,一般加工廠制造出線間距等于甚至小于0.1mm已經(jīng)不存在什么問題,完全能夠滿足大多數(shù)應用場合.考慮 到開關電源所采用的元器件及生產(chǎn)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,可避免在焊接操作過程中出現(xiàn)“橋接”現(xiàn)象.,這樣大多數(shù)制板廠都能夠很輕松滿足生產(chǎn)要求,并可以把成品率控制得非常高,亦可實現(xiàn)合理 的布線密度及有一個較經(jīng)濟的

4、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(jīng)驗值取線間距.      鑒于有一些相關標準對線間距有較明確的規(guī)定,則要嚴格按照標準執(zhí)行,如交流入口端至熔斷器端連線.某些電源對體積要求很高,如模塊電源. 一般變壓器輸入側(cè)線間距為1mm實踐證明是可行的.對交流輸入,(隔離)直流輸出的電源產(chǎn)品,比較嚴格的規(guī)定為安全間距要大于等于6mm,當然這由相關的 標準及執(zhí)行方法確定.一般安全間距可由反饋光耦兩側(cè)距離作為參考,原則大于等于這個距離.也可在光耦下

5、面印制板上開槽,使爬電距離加大以滿足絕緣要求.一 般開關電源交流輸入側(cè)走線或板上元件距非絕緣的外殼、散熱器間距要大于5mm,輸出側(cè)走線或器件距外殼或散熱器間距要大于2mm,或嚴格按照安全規(guī)范執(zhí) 行. 常用方法: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放電間隙,常見于電視機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,有有一定抗潮濕的能力.聚四氟乙烯定向膜由于具

6、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. 注意:某些器件絕緣被覆套不能用來作為絕緣介質(zhì)而減小安全間距,如電解電容的外皮,在高溫條件下,該外皮有可能受熱收縮.大電解防爆槽前端要留出空間,以確保電解電容在非常情況時能無阻礙地瀉壓. 4、 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35m,走線可按照1A/mm經(jīng)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(其他非電源線路板可能最小線寬會小一些).銅皮厚度為70m 線路板也常見于開關電源,那么電流密度可更高些.  &

7、#160; 補充一點,現(xiàn)常用線路板設計工具軟件一般都有設計規(guī)范項,如線寬、線間距,旱盤過孔尺寸等參數(shù)都可以進行設定.在設計線路板時,設計軟件可自動按照規(guī)范執(zhí)行,可節(jié)省許多時間,減少部分工作量,降低出錯率.      一般對可靠性要求比較高的線路或布線線密度大可采用雙面板.其特點是成本適中,可靠性高,能滿足大多數(shù)應用場合.      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,但其缺點是成本較高,靈活性較差,僅適合于工業(yè)化大規(guī)

8、模生產(chǎn).      單面板,市場流通通用開關電源幾乎都采用了單面線路板,其具有低成本的優(yōu)勢,在設計,及生產(chǎn)工藝上采取一些措施亦可確保其性能. 5、 今天談談單面印制板設計的一些體會,由于單面板具有成本低廉,易于制造的特點,在開關電源線路中得到廣泛應用,由于其只有一面縛銅,器件的電器連接,機械固定都要依靠那層銅皮,在處理時必須小心.      為保證良好的焊接機械結(jié)構(gòu)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(huán)寬 度應大于0.3mm.焊盤孔直徑應略大于器件引腳

9、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.      電氣連線應盡量寬,原則寬度應大于焊盤直徑,特殊情況應在連線于與焊盤交匯必須將線加寬(俗稱生成淚滴),避免在某些條件線與焊盤斷 裂.原則最小線寬應大于0.5mm.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

10、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.      單面板焊接面引腳在不影響與外殼間距的前題條件下,可留得長一些,其優(yōu)點是可增加焊接部位的強度,加大焊接面積、有虛焊現(xiàn)象可即時發(fā) 現(xiàn).引腳長剪腿時,焊接部位受力較小.在臺灣、日本常采用把器件引腳在焊接面彎成與線路板成45度角,然后再焊接的工藝,的其道理同上. 6、 雙面板焊盤由于孔已作金屬化處理強度較高,焊環(huán)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.但是有一個弊端,如果孔過大,波峰焊時在射

11、流錫沖擊下部分器件可能上浮,產(chǎn)生一些缺陷.      大電流走線的處理,線寬可按照前帖處理,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(chǎn)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,要注意的是,如果很寬的的走線全部鍍上錫,

12、在焊接以后,會粘接大量焊錫,并且分布很不均勻,影響美觀.一般可采用細長條鍍錫寬度 在11.5mm,長度可根據(jù)線路來確定,鍍錫部分間隔0.51mm,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(xiàn)不穩(wěn)定的意外因素,信號控制回路盡量采用一點接地法,有一個 技巧,盡量把非接地的走線放置在同一布線層,最后在另外一層鋪地線.輸出線一般先經(jīng)過濾波電容處,再到負載,輸入線也必須先通過電容,再到變壓器,理論依 據(jù)是讓紋波電流都通過旅濾波電容.     

13、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(xiàn),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.      器件散熱,在一些小功率電源中,線路板走線也可兼散熱功能,其特點是走線盡量寬大,以增加散熱面積,并不涂阻焊劑,有條件可均勻放置過孔,增強導熱性能. 7、 鋁基板由其本身構(gòu)

14、造,具有以下特點:導熱性能非常優(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,開關管,輸出整流管通過基板把熱量傳導出去,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)良的導熱性,在小量手工焊接時比較困難,焊料冷卻過快,容易出現(xiàn)問題現(xiàn)有一個簡單實用的方法,將一個燙衣服的普通電熨斗(最好有 調(diào)溫功能)

15、,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. 8、 開關電源分為,隔離與非隔離兩種形式,在這里主要談一談隔離式開關電源的拓撲形式,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通時副邊截止,變壓器儲能.原邊截止時,副邊導通,能量釋放到負載的工作狀態(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通同時副邊感應出對應電壓輸出到負載

16、,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,在設計電路的過程中為達到最優(yōu)性價比,可以靈活運用.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.具體問題明晚再談.反 激式電源因其結(jié)構(gòu)簡單,省掉了一個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

17、,實現(xiàn)起來有難度.本人認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,但沒見過實物.輸出功率大小與輸出電壓高低有關.      反激電源變壓器漏感是一個非常關鍵的參數(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)生漏磁遠大 于完全閉合磁路.    變壓器初次極間的偶合,也是確定漏感的關鍵因素,要盡

18、量使初次極線圈靠近,可采用三明治繞法,但這樣會使變壓器分布電容增大.選用鐵芯盡量用窗口比較長的磁芯,可減小漏感,如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好. 9、 關于反激電源的占空比,原則上反激電源的最大占空比應該小于0.5,否則環(huán)路不容易補償,有可能不穩(wěn)定,但有一些例外,如美國PI公司推出的TOP系列芯 片是可以工作在占空比大于0.5的條件下.占空比由變壓器原副邊匝數(shù)比確定,本人對做反激的看法是,先確定反射電壓(輸出電壓通過變壓器耦合反映到原邊的 電壓值),在一定電壓范圍內(nèi)反射電壓提高則工作占空比增大,開關管損耗降低.反射電壓降低則工作占空比減小,開關管損耗增大.當然這也是有前提

19、條件,當占 空比增大,則意味著輸出二極管導通時間縮短,為保持輸出穩(wěn)定,更多的時候?qū)⒂奢敵鲭娙莘烹婋娏鱽肀ＷC,輸出電容將承受更大的高頻紋波電流沖刷,而使其發(fā)熱 加劇,這在許多條件下是不允許的.占空比增大,改變變壓器匝數(shù)比,會使變壓器漏感加大,使其整體性能變,當漏感能量大到一定程度,可充分抵消掉開關管大占 空帶來的低損耗,時就沒有再增大占空比的意義了,甚至可能會因為漏感反峰值電壓過高而擊穿開關管.由于漏感大,可能使輸出紋波,及其他一些電磁指標變差. 當占空比小時,開關管通過電流有效值高,變壓器初級電流有效值大,降低變換器效率,但可改善輸出電容的工作條件,降低發(fā)熱.今天接著談關于反激電源的占空 比(

20、本人關注反射電壓,與占空比一致),占空比還與選擇開關管的耐壓有關,有一些早期的反激電源使用比較低耐壓開關管,如600V或650V作為交流 220V 輸入電源的開關管,也許與當時生產(chǎn)工藝有關,高耐壓管子,不易制造,或者低耐壓管子有更合理的導通損耗及開關特性,像這種線路反射電壓不能太高,否則為使 開關管工作在安全范圍內(nèi),吸收電路損耗的功率也是相當可觀的.實踐證明600V管子反射電壓不要大于100V,650V管子反射電壓不要大于120V,把 漏感尖峰電壓值鉗位在50V時管子還有50V的工作余量.現(xiàn)在由于MOS管制造工藝水平的提高,一般反激電源都采用700V或750V甚至 800-900V的開關管.像

21、這種電路,抗過壓的能力強一些開關變壓器反射電壓也可以做得比較高一些,最大反射電壓在150V比較合適,能夠獲得較好的綜 合性能.PI公司的TOP芯片推薦為135V采用瞬變電壓抑制二極管鉗位.但他的評估板一般反射電壓都要低于這個數(shù)值在110V左右.這兩種類型各有優(yōu)缺 點: 第一類:缺點抗過壓能力弱,占空比小,變壓器初級脈沖電流大.優(yōu)點:變壓器漏感小,電磁輻射低,紋波指標高,開關管損耗小,轉(zhuǎn)換效率不一定比第二類低. 第二類:缺點開關管損耗大一些,變壓器漏感大一些,紋波差一些.優(yōu)點:抗過壓能力強一些,占空比大,變壓器損耗低一些,效率高一些. 10、 反激電源的反射電壓還與一個參數(shù)有關,那就是輸出電壓,

22、輸出電壓越低則變壓器匝數(shù)比越大,變壓器漏感越大 ,開關管承受電壓越高,有可能擊穿開關管、吸收電路消耗功率越大,有可能使吸收回路功率器件永久失效(特別是采用瞬變電壓抑制二極管的電路).在設計低壓 輸出小功率反激電源的優(yōu)化過程中必須小心處理,其處理方法有幾個: (1)、 采用大一個功率等級的磁芯降低漏感,這樣可提高低壓反激電源的轉(zhuǎn)換效率,降低損耗,減小輸出紋波,提高多路輸出電源的交差調(diào)整率,一般常見于家電用開關電源,如光碟機、DVB機頂盒等. (2)、 如果條件不允許加大磁芯,只能降低反射電壓,減小占空比.降低反射電壓可減小漏感但有可能使電源轉(zhuǎn)換效率降低,這兩者是一個矛盾,必須要有一個替代過程才

23、能找到一個合適的點,在變壓器替代實驗過程中,可以檢測變壓器原邊的反峰電壓,盡量降低反峰電壓脈沖的寬度,和幅度,可增加變換器的工作安全裕度.一般反 射電壓在110V時比較合適. (3)、 增強耦合,降低損耗,采用新的技術,和繞線工藝,變壓器為滿足安全規(guī)范會在原邊和副邊間采取絕緣措施,如墊絕緣膠帶、加絕緣端空膠帶.這些將影響變壓器漏 感性能,現(xiàn)實生產(chǎn)中可采用初級繞組包繞次級的繞法.或者次級用三重絕緣線繞制,取消初次級間的絕緣物,可以增強耦合,甚至可采用寬銅皮繞制. 11、 反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態(tài),所以磁路需要開氣隙,類似于脈動直流電感器.部分磁路通過空氣縫隙耦合.為什么開氣隙的原理

24、本人理解為:由于功 率鐵氧體也具有近似于矩形的工作特性曲線(磁滯回線),在工作特性曲線上Y軸表示磁感應強度(B),現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝一般飽和點在400mT以上,一般此值 在設計中取值應該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場強度(H)此值與磁化電流強度成比例關系.磁路開氣隙相當于把磁體磁滯回線向X軸向傾斜,在 同樣的磁感應強度下,可承受更大的磁化電流,則相當于磁心儲存更多的能量,此能量在開關管截止時通過變壓器次級瀉放到負載電路,反激電源磁芯開氣隙有兩個 作用.其一是傳遞更多能量,其二防止磁芯進入飽和狀態(tài).    反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態(tài),不僅要通過磁耦合傳遞能量,還擔負電壓變換輸入輸出隔離的多重作用.所以氣隙的處理需要非常小心,氣隙太大可使漏感變大,磁滯損