开关电源的印制电路板设计

对印制电路板的排布要求是：（1）要通过良好的排板布局来保证达到产品（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）；（2）印制电路板布局的良好还应当表现在器件的便于安装和整个电源的便于维护方面；（3）印制电路板布局的良好同样还表现在生产中所用工艺的合理可行上。7.2.1印制电路板的常用材料（1）挠性绝缘基材的印制电路板（2）刚性基材的印制电路板①酚醛纸质覆铜箔板。②环氧酚醛玻璃布覆铜箔板。③聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板。（3）陶瓷基材的印制电路板采用环氧酚醛玻璃布基材料的单双面印制电路板是目前比较常用的印制电路板，特别是开关电源比较常用这种材基的印制电路板，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。由于印制导线表面积的增大，使导线铜箔与周围介质和绝缘底板接触良好而提高了导热性能，因此印制导线允许通过的电流密度要比普通导线大得多。例如，1.5mm宽、50μm厚的印制导线（截面积为0.075mm2)，其瞬间熔断电流为60A；而一般的铜导线，当它的截面积与上述印制导线相同时，瞬间的熔断电流为16A。由于印制导线存在电阻，故通过电流时将产生温升。权衡了这两方面的原因，印制导线的最大电流密度取20A/mm2。对于过长的印制导线，还应当考虑电流流过时产生的压降是否对电路的工作带来影响，必要时应当降低通过的电流密度。对于大电流的电源线、地线、负载输出线，应当考虑电压降落的因素。印制电路板的通流能力表7.1是印制导线的电压降。2、覆铜箔板的绝缘电阻和抗电强度表7.2覆铜箔板的绝缘电阻表7.3覆铜箔板的抗电强度印制电路板上的元器件安装主要有两种方法：一种是传统的插入法安装；另一种方法是表面贴装（或部分采用表面贴装，部分仍采用插入安装）。这种安装方法有如下优点：（1）由于印制电路板大量消除了安装孔，故提高了印制电路板的布线密度，减小了印刷电路板的板面尺寸，从而可以降低印制电路板的制作成本。（2）减轻了整个印制电路板在安装以后的重量，从而提高了产品的抗震性能，提高了产品的质量和可靠性。（3）由于布线密度的提高、布线的长度缩短，从而减少了线路的寄生电容和电感，有利于提高产品的电性能数据。（4）比插入式安装方法更容易实现自动化生产，提高劳动生产率，从而降低印制电路板成品的生产成本。7.2.3印制电路板的元器件安装方法设计时要考虑开关电源印制电路板的尺寸问题。尺寸过大，印制电路板上的走线就会过长，使线路的阻抗增加，抗干扰的能力减弱，电磁骚扰的发射增加；反之，印制电路板的尺寸过小，则会使开关电源发热部分的散热不好，邻近线条间也易相互干扰。所以，线路板的尺寸要适中。印制电路板的最佳形状是矩形，长、宽比为3：2或4：3。当印制电路板的尺寸大于200mm×150mm时，应当考虑它的机械强度。一旦开关电源线路板的尺寸选定以后，首先要确定与整机结构配合的元器件（通常开关电源只是配套整机使用的一个重要部件而已），如电源插座、指示灯和接插件等的位置，随后再布置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。一般要求所有的元器件都放在离印制电路板边缘3mm以上的地方，这是由于在大批量生产的流水线插件和波峰焊时，要提供给导轨槽使用，同时也避免由于加工中引起的边缘部分的缺损。如果印制电路板上的元器件太多，要超出3mm范围时，则可在印制电路板上设辅边，在辅边和主板连接的地方开V形槽，最后，在全部加工结束后由人工掰断。开关电源印制电路板的设计流程大体如下：放置高频变压器→设计电源开关电流回路→设计输出整流器电流回路→连接到交流电源电路的控制电路→设计输入电流回路和输入滤波器→设计输出负载回路和输出滤波器。在印制电路板具体布局和布线时，通常要遵守以下原则：（1）一般要按照线路的原理图来安排各功能电路（对开关电源来说，一般是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）的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽量保持方向一致。这样做更便于在生产中的检查、调试及检修。（2）要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布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在印制电路板上，尽量减少和缩短各元器件之间的连接线距离。其中，在高频下工作的电路要考虑元器件之间的分布参数。对一般电路应尽可能使元器件平行排列，这样不但美观，而且装焊容易，便于批量生产。（3）尽可能缩小高频大电流回路所包围的面积，缩短高电压元器件的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰，特别是易受干扰的元器件不能彼此很近。（4）尽可能缩小控制回路所包围的面积，从可靠性的角度考虑，这部分电路是开关电源中比较脆弱的部分；从电磁兼容的角度考虑，这部分电路是开关电源中比较敏感的部分。缩小控制回路所包围的面积，实际上是减小了对干扰“接收天线”的尺寸，有利于降低对外部干扰的拾取能力，提高开关电源的可靠性和电磁兼容性。（5）对某些载有高电压的器件和线路，要加大它们与其他部分的距离，以免由于放电引起意外的短路。如果有可能，则应将带高电压的器件尽量布置在调试人员的手不易触及的地方。（6）有脉冲电流流过的区域要远离输出端子，使噪声源与直流输出部分分离。（7）开关电源的交流输入和直流输出部分应当尽可能地远离，尤其禁止将它们捆扎在一起，以避免由于相互间靠得太近，通过线路间的耦合，将原本“干净”的输出由于受到输入部分的电磁骚扰发射而受“污染”。（8）缓冲电路在布局上应当尽量贴近开关管和输出二极管。（9）控制电路与功率电路要分开，采用单点接地方式将彼此间的地线回路连在一起。通常，控制部分不要求采用大面积接地，因为大面积接地容易起天线作用，引入干扰，影响控制部分的正常工作。（10）对于开关电源输出部分的滤波，则可以采用多只容量较小的电解电容来代替一只容量较大的电解电容。通常，多只较小的电解电容的并联使用比只使用一只较大容量的电解电容有较小的等效串联电阻值，有利于提高开关电源的输出滤波性能，而且滤波部分的总体积也不一定比原先有太多的增加。（11）在印制电路板上，相邻印制导线之间不应过长的平行走线，要采用垂直交叉方式，线宽不要突变，也不要突然拐角和环形走线。在印制电路板上的拐线应尽量采取圆角。因为直角和锐角在高频和高压下会影响其电气性能。（12）印制电路板上的导线宽度主要由导线和绝缘基板之间的附着强度和流过电流的大小来决定。当铜箔厚度为50μm、宽度为1.5mm的印制导线通过2A电流时，其温升不会超过3℃，可以满足一般的要求。对于大电流的情况，大体上可以通过这一举例或前面表7.1中的数据来加以估算（但是对大电流、采用大面积覆铜的情况，由于要通过布孔来消除铜箔在浸焊中可能产生的气泡，所以应当适当加宽线条，必要时也可以通过搪锡来增厚导线，增加通流的容量）。对信号线，一般要求线宽不小于0.3mm。当然，只要条件许可，无论是线宽，还是线间距离，都可适当增加。（13）印制电路板上的元器件分布要尽可能做到均匀、密度一致。对采用元器件引脚插入安装的方法，元器件一律放置在电路板面上。印制电路板的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每毫米200V计算。另外，印制电路板上的元器件不能交叉或重叠安装。（14）印制电路板上的元器件可以采用水平和直立两种安装方式，在同一块印制电路板里的安装方式应当一致。但是对直立安装中遇到体积稍大的元器件（如3W以上的线绕电阻），则应该采用水平方式安装这个元器件，避免局部安装的高度过高及机械抗震性能变差。但是对于发热比较大的器件，也不能过于贴近印制电路板表面安装，避免由于器件发热而使印制电路板表面碳化。（15）对于印制电路板上重量超过15g的元器件，不能仅仅依靠元器件本身的引线进行安表，而建议采用支架来固定。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，而应当加装散热器，并把它排布在印制电路板的外侧方向，必要时还可以通过开关电源的外壳来帮助散热。（16）在排布双面印制电路板时，元器件面上应当尽可能少安排印制导线。元器件的外壳，尤其是元器件接地的外壳，要避免因与印制导线相碰而造成短路。元器件的安装不能太低，同时还要尽可能避免印制导线在接地外壳的元器件下面通过。当然对于开关电源中采用TOPSwitch里的一类双列直插和表面安装形式的器件，可以在器件下有意识地布一块面积稍大的覆铜区，让器件紧贴在该覆铜区上以帮助散热。（17）在布局印制电路板时，还要注意留出印制电路板的定位孔和固定支架时所用的位置。（18）在印制电路板上采用大面积覆铜有两个作用：一是散热；二是用于屏蔽，以便减小干扰。大面积覆铜时易犯的错误是铜箔上没有开孔，由于印制电路板的基板与铜箔间的黏合剂在浸焊或长时间的受热时，会产生挥发性气体，无法排除，且热量不易散发，以致产生铜箔的膨胀和脱落现象，因此在使用大面积覆铜时，应将铜箔表面开孔成为网状。（19）在印制电路板的设计中，特别是开关电源的印制电路板，为了降低成本而采用单面或双面时，遇到个别线条无法走通而必须采用跳线时，往往因为板上跳线的长短不一，或有时因跳线的长度太大，使跳线的中间部位有松脱现象，都会给生产加工带来困难。因此，当印制电路板上的跳线不可避免时，至少应做到跳线的地方不要太多，跳线的长度不要太长，跳线的长度品种不要太多，如只取6mm、8mm和10mm等几挡。（20）当印制电路板上设有高压和低压部分（这在开关电源的设计中是经常遇到的事情，如在许多开关电源的交流输入与直流输出之间都需要隔离，两者之间还要经受高电压的耐压试验），这两部分之间的元器件需要分开放置，隔离的距离要与承受的试验电压有关，通常2kV试验电压时，板上离开的距离要求在2mm以上；当试验电压要求3kV以上时，板上的距离应当大于3.5mm以上。在有些情况下，为避免爬电，还要求在印制电路板上的高压和低压区域之间开一定宽度的槽。（21）关于印制线条与焊盘尺寸及焊盘内孔尺寸的关系问题：焊盘的内孔尺寸要考虑元器件的引线直径、搪锡厚度等因素，焊盘内孔一般不小于0.6mm，在一般情况下，以元器件的金属引线直径再加上0.2mm作为焊盘的内径。焊盘本身的直径与内孔直径有关，常取内孔直径的1.5~2倍，内孔大的，可取小一点的。常用的内孔直径有0.4mm、0.6rnm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm；常用的焊盘直径有1.5rnrn、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm。焊盘也不宜过大，否则容易形成虚焊。（22）当与焊盘连接的走线较细时，在焊接时容易使走线与焊盘脱开，为避免这种情况出现，应将走线与焊盘间的连接设计成水滴形状。（23）对于某些要在印制电路板经过波峰焊之后再补焊的器件，其焊盘内孔在经过波峰焊的过程中，会被焊锡封住，使补焊器件无法插下。为此，可在印制电路板加工时，对该焊盘开一个小口，这样，在波峰焊时就不会被焊锡封住了。7.4印制电路板的地线问题图7.1中的电路1和电路2通过公用地线段AB与电源形成回路。从电路分析的角度看，线段AB的本身可以等效成一个电阻和一个电感的串联，因此它有一定的阻抗。由于电路1和电路2的全部电流都从线段AB中通过，因此就形成了公共阻抗。在工作时，任何电路1和电路2的电流变化都将引起A点电位的变化，使得电路1和电路2之间产生相互干扰。如果电路2的输出引到电路3的输入端，则干扰还将窜入电路3中。这就是由地线引起的公共阻抗的干扰。印制电路板要采用单点接地（特别是在开关电源里，由于工作频率并不算高，只有几十至几百千赫，使用单点接地已经可以满足要求）。这种接地方式可以使噪声源与敏感电路分离开来。一段长为2cm、宽为1mm的印制导线，其铜箔的厚度为50μm，则可以算出这根导线的电阻为)/(slR式中，ρ是电阻率，ρ=0.02；l是导线长度，m；s是导线的截面积，