開(kāi)關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)摘要：所有開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的最后一步就是印制電路板（PCB）的線路設(shè)計(jì)。如果這部分設(shè)計(jì)不當(dāng)，PCB也會(huì)使電源工作不穩(wěn)定，發(fā)射出過(guò)量的電磁干擾（EMI）。PCB設(shè)計(jì)是開(kāi)關(guān)電源研發(fā)過(guò)程中極為重要的步驟和環(huán)節(jié)，關(guān)系到開(kāi)關(guān)電源能否正常工作，生產(chǎn)是否順利進(jìn)行，使用是否安全等問(wèn)題。隨著開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品越來(lái)越趨向高速、寬帶、高靈敏度、高密集度和小型化，帶來(lái)了開(kāi)關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)的EMC電磁兼容性問(wèn)題。本文介紹了開(kāi)關(guān)電源PCB的設(shè)計(jì)流程，提出了開(kāi)關(guān)電源PCB的接地設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；電磁干擾；電力電子；接地保護(hù)印制線路板（PCB）是電子產(chǎn)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(shè)備最基本的組成部分，它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的好壞。如果這部分設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)使電源工作不穩(wěn)定，發(fā)射出過(guò)量的電磁干擾（EMI）。PCB設(shè)計(jì)是開(kāi)關(guān)電源研發(fā)過(guò)程中極為重要的步驟和環(huán)節(jié)，關(guān)系到開(kāi)關(guān)電源能否正常工作，生產(chǎn)是否順利進(jìn)行，使用是否安全等問(wèn)題。隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展和開(kāi)關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率與功率密度變得越來(lái)越高。然而，開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率不斷提高和功率密度不斷增大使開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，帶來(lái)了開(kāi)關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)的EMC電磁兼容性問(wèn)題。一、 開(kāi)關(guān)電源PCB的設(shè)計(jì)流程每個(gè)開(kāi)關(guān)電源通常都包含三個(gè)交流回路：電源開(kāi)關(guān)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(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)頻率，峰值幅度很高。這三個(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布線之前先布好這些交流回路，每個(gè)回路的主要元件如：濾波電容、電源開(kāi)關(guān)或整流器、電感或變壓器應(yīng)彼此相鄰地進(jìn)行放置，調(diào)整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短。因此，最佳設(shè)計(jì)流程如下：放置變壓器；設(shè)計(jì)電源開(kāi)關(guān)電流回路；設(shè)計(jì)輸出電流回路；設(shè)計(jì)控制電路；設(shè)計(jì)輸入電流回路。二、 PCB與EMCPCB尺寸。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過(guò)小則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。電路板的最佳形狀矩形，長(zhǎng)寬比為3：2或4：3。確定PCB的層數(shù)。根據(jù)電源、地的種類(lèi)、信號(hào)線的密集程度、信號(hào)頻率、特殊布線要求的信號(hào)數(shù)量、周邊要素、成本價(jià)格等方面的綜合因素來(lái)確定PCB板的層數(shù)。要滿足EMC的嚴(yán)格指標(biāo)并且考慮制造成本，適當(dāng)增加地平面是PCB的EMC設(shè)計(jì)最好的方法之一。對(duì)電源層而言，一般通過(guò)內(nèi)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(cuò)，則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。對(duì)信號(hào)層而言，除了考慮信號(hào)線的走線密集度外，從EMC的角度，還需要考慮關(guān)鍵信號(hào)（如時(shí)鐘、驅(qū)動(dòng)信號(hào)等）的屏蔽或隔離，以此確定是否增加相應(yīng)層數(shù)。因此，開(kāi)關(guān)電源中的PCB，如果成本允許，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)盡量不選擇單面板或雙面板，而選擇多層板。PCB上元器件的布局和走線原則。首先，對(duì)PCB板進(jìn)行空間分割，降低PCB上不同類(lèi)型的元器件之間互相干擾?？臻g分割的實(shí)施方法就是對(duì)元器件進(jìn)行分組，可以根據(jù)電壓高低、數(shù)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(diǎn)，對(duì)電路板上的不同單元進(jìn)行功能分組，每個(gè)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(zhǎng)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(yīng)保持一定間距，盡量分開(kāi)布線。通用原則如下：低電平信號(hào)線不能靠近高電平信號(hào)線，包括能產(chǎn)生瞬變的信號(hào)；將模擬電路和數(shù)字電路分開(kāi)，避免模擬電路、數(shù)字電路和電源公共回線產(chǎn)生公共阻抗耦合；安排電路時(shí)要使得信號(hào)線長(zhǎng)度盡量??；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(guò)長(zhǎng)的平行信號(hào)線；在每個(gè)IC的電源和地之間都應(yīng)當(dāng)有去耦電容，這些去耦電容應(yīng)該盡可能的接近IC引腳，這將有助于濾除IC的開(kāi)關(guān)噪聲；電磁干擾濾波器要盡可能靠近干擾源；電源開(kāi)關(guān)元件和整流器應(yīng)盡可能靠近變壓器放置，以使其導(dǎo)線長(zhǎng)度最??；盡可能靠近整流二極管放置調(diào)壓元件和濾波電容器；對(duì)噪聲敏感的布線不要與大電流，高速開(kāi)關(guān)線平行，比如開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此外，還應(yīng)注意以下三點(diǎn)：在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí).操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC吸收電路來(lái)吸收放電電流。一般R取1-2kQ，C取2.2-4.7葉；CMOS的輸入阻抗很高，且易受干擾，因此在使用時(shí)對(duì)不用端要通過(guò)電阻接地或接正電源；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(huán)境和高電壓使用下，可以采取走線間挖槽增強(qiáng)耐壓。三、開(kāi)關(guān)電源PCB的接地設(shè)計(jì)合適的接地方式有如下幾種：1.浮地：對(duì)于電子產(chǎn)品而言，浮動(dòng)地是指設(shè)備的地線在電氣上與參考地及其它導(dǎo)體相絕緣，即設(shè)備浮動(dòng)地，如圖所示；另一種情況是在有些電子產(chǎn)品中，為了防止機(jī)箱上的騷擾電流直接耦合到信號(hào)電路，有意將信號(hào)地與機(jī)箱絕緣，即單元電路浮動(dòng)地。優(yōu)點(diǎn)：電路與外部的地系統(tǒng)有良好的隔離，不易受外部地系統(tǒng)上干擾的影響。缺點(diǎn)：電路上易積累靜電從而產(chǎn)生靜電干擾，有可能產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓。單點(diǎn)接地可分為串聯(lián)單點(diǎn)接地與并聯(lián)單點(diǎn)接地。串聯(lián)單點(diǎn)接地接地點(diǎn)只有一個(gè)，是以一截面積足夠大的導(dǎo)體作為接地母線，直接接到電位基準(zhǔn)點(diǎn)需要接地的各部分就近接到該母線上，由于接地母線阻抗很小，故能夠把公共干擾減弱到允許的程度。并聯(lián)端點(diǎn)接地接地點(diǎn)只有一個(gè)，是將需要接地的各部分，分別以接地導(dǎo)線直接連到電位基準(zhǔn)點(diǎn)（一般是直流電源的負(fù)極或零伏點(diǎn)）；或者用樹(shù)枝狀的多點(diǎn)放射式。如圖所示。因?yàn)檫@樣僅有很少的公共信號(hào)返回導(dǎo)體，能有效地避免公共阻抗和接地閉合回路造成的干擾。缺點(diǎn)是接地線又長(zhǎng)又多，經(jīng)濟(jì)性差，而且限制了裝置的工作速度或頻率。并聯(lián)單點(diǎn)接地主要應(yīng)用于機(jī)框內(nèi)各種匯流條的匯接。多點(diǎn)接地接地點(diǎn)多于一個(gè)的連接方式，在高頻（f>10MHz）情況下，由于接地線的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，引線電感和分布電容的影響不能忽略，為降低接地阻抗、消除分布電容的影響而平面式多點(diǎn)接地，即利用一導(dǎo)電平面（如底板或多層印制電路板的導(dǎo)電平面層等）作為基準(zhǔn)地，需要接地的各部分就近接到該基準(zhǔn)地上。由于導(dǎo)電平面的高頻阻抗很低，所以各處的基準(zhǔn)電位比較接近。為進(jìn)一步減少接地回路的壓降，可用旁路電容等辦法減少返回電流的幅值及前沿陡度。多點(diǎn)接地方式主要應(yīng)用于高頻信號(hào)到參考平面的連接。復(fù)合接地是單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地同時(shí)作用的連接方式。既包含了單點(diǎn)接地地特性，也包含了多點(diǎn)接地地特性。主要應(yīng)用于1MHz<f<10MHz，低頻時(shí)單點(diǎn)接地，高頻時(shí)多點(diǎn)接地的場(chǎng)合和復(fù)雜系統(tǒng)的接地。四、PCB板接地設(shè)計(jì)原則主電路的輸入與輸出必須分開(kāi)走線，電源的干擾一般由供電設(shè)備和電源進(jìn)入系統(tǒng)的，獨(dú)立的一層電源層就必須進(jìn)行很好的濾波，必須做好去耦電容的走線，并且PCB板的走線要盡可能的粗，最后達(dá)到減小環(huán)路電阻的目的。主電路線與控制線最好要相互各不影響。數(shù)字地與模擬地分開(kāi)走，若一塊PCB上既有邏輯電路和線性電路必須要使他們分開(kāi)，低頻電路的地應(yīng)該采用單點(diǎn)并連接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)為短而粗，高頻原件周?chē)M量用柵格大面積地箔。高頻變壓器的信號(hào)線最好要單獨(dú)分開(kāi)走。分開(kāi)布線要避免平行走線?？梢源怪苯徊妫€距距離最好在25MM以上。電纜不要貼在金屬外殼和散熱器走線，要保持一定的距離。電源輸入端跨接10-100UF的電解電容器，還有開(kāi)關(guān)電源中運(yùn)用較多的接觸器，繼電器，按鈕等元件時(shí)均會(huì)出現(xiàn)較大的火花，必須采用RC電路來(lái)吸收放點(diǎn)電流。開(kāi)關(guān)電源印制線路板的電磁兼容設(shè)計(jì)既有普通產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)的共性，更有自己的特性。要設(shè)計(jì)一塊完美的開(kāi)關(guān)電源PCB，需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累。而隨著新型高速器件和大型集成電路的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電子線路也越來(lái)越復(fù)雜，需