【畫板經驗】 PCB設計技巧之開關電源

在任何開關電源設計中，PCB板的物理設計都是最後一個環節，如果設計方法不當，PCB可能會輻射過多的電磁干擾，造成電源工作不穩定，以下針對各個步驟中所需注意的事項進行分析。
　　1. 從原理圖到PCB的設計流程
　　建立元件參數——>輸入原理網表->設計參數設置->手工佈局->手工佈線->驗證設計——>複查->CAM輸出。
　　2. 參數設置
　　相鄰導線間距必須能滿足電氣安全要求，而且爲了便於操作和生產，間距也應儘量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓，在佈線密度較低時，信號線的間距可適當地加大，對高、低電平懸殊的信號線應儘可能地短且加大間距，一般情況下將走線間距設爲8mil。焊盤內孔邊緣到印製板邊的距離要大於1mm，這樣可以避免加工時導致焊盤缺損。當與焊盤連接的走線較細時，要將焊盤與走線之間的連接設計成水滴狀，這樣的好處是焊盤不容易起皮，而是走線與焊盤不易斷開。
　　3. 元器件佈局
　　實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印製電路板設計不當，也會對電子設備的可靠性產生不利影響。例如，如果印製板兩條細平行線靠得很近，則會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲；由於電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產品的性能下降，因此，在設計印製電路板的時候，應注意採用正確的方法。每一個開關電源都有四個電流回路：
　　◆ 電源開關交流回路
　　◆ 輸出整流交流回路
　　◆ 輸入信號源電流回路
　　◆ 輸出負載電流回路輸入迴路
　　通過一個近似直流的電流對輸入電容充電，濾波電容主要起到一個寬帶儲能作用；類似地，輸出濾波電容也用來儲存來自輸出整流器的高頻能量，同時消除輸出負載迴路的直流能量。所以，輸入和輸出濾波電容的接線端十分重要，輸入及輸出電流回路應分別只從濾波電容的接線端連接到電源；如果在輸入/輸出迴路和電源開關/整流回路之間的連接無法與電容的接線端直接相連，交流能量將由輸入或輸出濾波電容並輻射到環境中去。
　　電源開關交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形電流，這些電流中諧波成分很高，其頻率遠大於開關基頻，峯值幅度可高達持續輸入/輸出直流電流幅度的5倍，過渡時間通常約爲50ns。這兩個迴路最容易產生電磁干擾，因此必須在電源中其它印製線佈線之前先布好這些交流回路，每個迴路的三種主要的元件濾波電容、電源開關或整流器、電感或變壓器應彼此相鄰地進行放置，調整元件位置使它們之間的電流路徑儘可能短。
　　建立開關電源佈局的最好方法與其電氣設計相似，最佳設計流程如下：
　　1.放置變壓器
　　2.設計電源開關電流回路
　　3.設計輸出整流器電流回路
　　4.連接到交流電源電路的控制電路
　　設計輸入電流源迴路和輸入濾波器 設計輸出負載迴路和輸出濾波器根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行佈局時，要符合以下原則：
　　● 首先要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時，印製線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。電路板的最佳形狀爲矩形，長寬比爲3：2或4：3，位於電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小於2mm
　　● 放置器件時要考慮以後的焊接，不要太密集
　　● 以每個功能電路的核心元件爲中心，圍繞它來進行佈局。元器件應均勻、 整齊、緊湊地排列在PCB上，儘量減少和縮短各元器件之間的引線和連接， 去耦電容儘量靠近器件的VCC
　　● 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分佈參數。一般電路應儘可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易於批量生產
　　● 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使佈局便於信號流通，並使信號儘可能保持一致的方向
　　● 佈局的首要原則是保證佈線的布通率，移動器件時注意飛線的連接，把有連線關係的器件放在一起
　　●儘可能地減小環路面積，以抑制開關電源的輻射干擾
　　4.佈線
　　開關電源中包含有高頻信號，PCB上任何印製線都可以起到天線的作用，印製線的長度和寬度會影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應。即使是通過直流信號的印製線也會從鄰近的印製線耦合到射頻信號並造成電路問題（甚至再次輻射出干擾信號）。因此應將所有通過交流電流的印製線設計得儘可能短而寬，這意味着必須將所有連接到印製線和連接到其他電源線的元器件放置得很近。
　　印製線的長度與其表現出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印製線的電感量和阻抗成反比。長度反映出印製線響應的波長，長度越長，印製線能發送和接收電磁波的頻率越低，它就能輻射出更多的射頻能量。根據印製線路板電流的大小，儘量加租電源線寬度，減少環路電阻。 同時、使電源線、地線的走向和電流的方向一致，這樣有助於增強抗噪聲能力。接地是開關電源四個電流回路的底層支路，作爲電路的公共參考點起着很重要的作用，它是控制干擾的重要方法。因此，在佈局中應仔細考慮接地線的放置，將各種接地混合會造成電源工作不穩定。
　　5.檢查
　　佈線設計完成後，需認真檢查佈線設計是否符合設計者所制定的規則，同時也需確認所制定的規則是否符合印製板生產工藝的需求，一般檢查線與線、線與元件焊盤、線與貫通孔、元件焊盤與貫通孔、貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產要求。 電源線和地線的寬度是否合適，在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。注意： 有些錯誤可以忽略，例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外，檢查間距時會出錯；另外每次修改過走線和過孔之後，都要重新覆銅一次。
　　複查根據“PCB檢查表”，內容包括設計規則，層定義、線寬、間距、焊盤、過孔設置，還要重點複查器件佈局的合理性，電源、地線網絡的走線，高速時鐘網絡的走線與屏蔽，去耦電容的擺放和連接等。
　　6.設計輸出
　　輸出光繪文件的注意事項：
　　● 需要輸出的層有佈線層（底層）、絲印層（包括頂層絲印、底層絲印）、阻焊層（底層阻焊）、鑽孔層（底層），另外還要生成鑽孔文件（NC Drill）
　　● 設置絲印層的Layer時，不要選擇Part Type，選擇頂層（底層）和絲印層的Outline、Text、Line
　　● 在設置每層的Layer時，將Board Outline選上，設置絲印層的Layer時，不要選擇Part Type，選擇頂層（底層）和絲印層的Outline、Text