開關(guān)電源設(shè)計(jì)的一般注意事項(xiàng)(PCB)

1、1、 布局:脈沖電壓連線盡可能短,其中輸入開關(guān)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(guān)管返回電容負(fù).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(guān)電源輸入端,輸入線應(yīng)避免與其他電路平行,應(yīng)避開.Y電容應(yīng)放置在機(jī)殼接地端子或FG連接端.共摸電感應(yīng)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(xiàng)對(duì)開關(guān)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(yīng)靠近輸出端子,可影響電源輸出紋波指標(biāo),兩只小

2、容量電容并聯(lián)效果應(yīng)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(zhǎng)整機(jī)壽命,電解電容是開關(guān)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(jìn)風(fēng)口.      控制部分要注意:高阻抗弱信號(hào)電路連線要盡量短如取樣反饋環(huán)路,在處理時(shí)要盡量避免其受干擾、電流取樣信號(hào)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(shí)用示波器觀測(cè)電流波形上明顯疊加 尖刺,由于干擾限流點(diǎn)比設(shè)計(jì)值偏低,圖一則沒有這種現(xiàn)象

3、、還有開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路,開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電阻要靠近開關(guān)管,可提高開關(guān)管工作可靠性,這和功率 MOSFET高直流阻抗電壓驅(qū)動(dòng)特性有關(guān). 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(yīng)用場(chǎng)合.考慮 到開關(guān)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(shè)為0.3mm,單面板最小線間距設(shè)為0.5mm,焊盤與焊盤、焊盤與過孔或過孔與過孔,最小 間距設(shè)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(shí)現(xiàn)合理 的布線密度及有一個(gè)較經(jīng)濟(jì)的

4、成本.      最小線間距只適合信號(hào)控制電路和電壓低于63V的低壓電路,當(dāng)線間電壓大于該值時(shí)一般可按照500V/1mm經(jīng)驗(yàn)值取線間距.      鑒于有一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)線間距有較明確的規(guī)定,則要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,如交流入口端至熔斷器端連線.某些電源對(duì)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(shí)踐證明是可行的.對(duì)交流輸入,(隔離)直流輸出的電源產(chǎn)品,比較嚴(yán)格的規(guī)定為安全間距要大于等于6mm,當(dāng)然這由相關(guān)的 標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(guān)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(yán)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(chǎng)合,順便提一下,該法也常用來作為保護(hù)放電間隙,常見于電視機(jī)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(yīng)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(jī)殼間,這種材料有機(jī)械強(qiáng) 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(yīng)用.在元件和周圍導(dǎo)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(shí)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(yàn)值取電流密度值,具體計(jì)算可參見教科書.為 保證走線機(jī)械強(qiáng)度原則線寬應(yīng)大于或等于0.3mm(其他非電源線路板可能最小線寬會(huì)小一些).銅皮厚度為70m 線路板也常見于開關(guān)電源,那么電流密度可更高些.  &

7、#160; 補(bǔ)充一點(diǎn),現(xiàn)常用線路板設(shè)計(jì)工具軟件一般都有設(shè)計(jì)規(guī)范項(xiàng),如線寬、線間距,旱盤過孔尺寸等參數(shù)都可以進(jìn)行設(shè)定.在設(shè)計(jì)線路板時(shí),設(shè)計(jì)軟件可自動(dòng)按照規(guī)范執(zhí)行,可節(jié)省許多時(shí)間,減少部分工作量,降低出錯(cuò)率.      一般對(duì)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(diǎn)是成本適中,可靠性高,能滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)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(diǎn),但其缺點(diǎn)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(chǎng)流通通用開關(guān)電源幾乎都采用了單面線路板,其具有低成本的優(yōu)勢(shì),在設(shè)計(jì),及生產(chǎn)工藝上采取一些措施亦可確保其性能. 5、 今天談?wù)剢蚊嬗≈瓢逶O(shè)計(jì)的一些體會(huì),由于單面板具有成本低廉,易于制造的特點(diǎn),在開關(guān)電源線路中得到廣泛應(yīng)用,由于其只有一面縛銅,器件的電器連接,機(jī)械固定都要依靠那層銅皮,在處理時(shí)必須小心.      為保證良好的焊接機(jī)械結(jié)構(gòu)性能,單面板焊盤應(yīng)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(dòng)時(shí)銅皮剝離、斷脫.一般焊環(huán)寬 度應(yīng)大于0.3mm.焊盤孔直徑應(yīng)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(yīng)盡量寬,原則寬度應(yīng)大于焊盤直徑,特殊情況應(yīng)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(yīng)大于0.5mm.單面板上元器件應(yīng)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(duì)焊盤與管腳連接處造成的影響,增強(qiáng)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(diǎn),可加強(qiáng)與線路板間連 接強(qiáng)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(zhǎng)一些,其優(yōu)點(diǎn)是可增加焊接部位的強(qiáng)度,加大焊接面積、有虛焊現(xiàn)象可即時(shí)發(fā) 現(xiàn).引腳長(zhǎng)剪腿時(shí),焊接部位受力較小.在臺(tái)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(qiáng)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?yàn)樵诤附舆^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(gè)弊端,如果孔過大,波峰焊時(shí)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(jìn)行解決,其方法有好多種 (1), 將走線設(shè)置成焊盤屬性,這樣在線路板制造時(shí)該走線不會(huì)被阻焊劑覆蓋,熱風(fēng)整平時(shí)會(huì)被鍍上錫. (2), 在布線處放置焊盤,將該焊盤設(shè)置成需要走線的形狀,要注意把焊盤孔設(shè)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(huì)明白你的意圖,需用文字說明.在阻焊層放置線的部位會(huì)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(huì)粘接大量焊錫,并且分布很不均勻,影響美觀.一般可采用細(xì)長(zhǎng)條鍍錫寬度 在11.5mm,長(zhǎng)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(guān)于接地,功率 地與信號(hào)地一定要分開,兩個(gè)地可在濾波電容處匯合,以避免大脈沖電流通過信號(hào)地連線而導(dǎo)致出現(xiàn)不穩(wěn)定的意外因素,信號(hào)控制回路盡量采用一點(diǎn)接地法,有一個(gè) 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(fù)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(diǎn)一定要放在電源輸出最末梢,以提高整機(jī)負(fù)載效應(yīng)指標(biāo).      走線從一個(gè)布線層變到另外一個(gè)布線層一般用過孔連通,不宜通過器件管腳焊盤實(shí)現(xiàn),因?yàn)樵诓逖b器件時(shí)有可能破壞這種連接關(guān)系,還有在每1A電流通過時(shí),至少應(yīng)有2個(gè)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(diǎn)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(qiáng)導(dǎo)熱性能. 7、 鋁基板由其本身構(gòu)

14、造,具有以下特點(diǎn):導(dǎo)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(guān)管,輸出整流管通過基板把熱量傳導(dǎo)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(dǎo)熱性,在小量手工焊接時(shí)比較困難,焊料冷卻過快,容易出現(xiàn)問題現(xiàn)有一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的方法,將一個(gè)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(shí)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(shí)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(guān)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(guān)電源的拓?fù)湫问?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(dǎo)通時(shí)副邊截止,變壓器儲(chǔ)能.原邊截止時(shí),副邊導(dǎo)通,能量釋放到負(fù)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(dǎo)通同時(shí)副邊感應(yīng)出對(duì)應(yīng)電壓輸出到負(fù)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(diǎn),在設(shè)計(jì)電路的過程中為達(dá)到最優(yōu)性價(jià)比,可以靈活運(yùn)用.一般在小功率場(chǎng)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(shí)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(jiǎn)單,省掉了一個(gè)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(yīng)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(shì)

17、,實(shí)現(xiàn)起來有難度.本人認(rèn)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(shí)物.輸出功率大小與輸出電壓高低有關(guān).      反激電源變壓器漏感是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù),由于反激電源需要變壓器儲(chǔ)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(jìn)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(yuǎn)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(guān)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(huì)使變壓器分布電容增大.選用鐵芯盡量用窗口比較長(zhǎng)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(guān)于反激電源的占空比,原則上反激電源的最大占空比應(yīng)該小于0.5,否則環(huán)路不容易補(bǔ)償,有可能不穩(wěn)定,但有一些例外,如美國(guó)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(duì)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(guān)管損耗降低.反射電壓降低則工作占空比減小,開關(guān)管損耗增大.當(dāng)然這也是有前提

19、條件,當(dāng)占 空比增大,則意味著輸出二極管導(dǎo)通時(shí)間縮短,為保持輸出穩(wěn)定,更多的時(shí)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(huì)使變壓器漏感加大,使其整體性能變,當(dāng)漏感能量大到一定程度,可充分抵消掉開關(guān)管大占 空帶來的低損耗,時(shí)就沒有再增大占空比的意義了,甚至可能會(huì)因?yàn)槁└蟹捶逯惦妷哼^高而擊穿開關(guān)管.由于漏感大,可能使輸出紋波,及其他一些電磁指標(biāo)變差. 當(dāng)占空比小時(shí),開關(guān)管通過電流有效值高,變壓器初級(jí)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(guān)于反激電源的占空 比(

20、本人關(guān)注反射電壓,與占空比一致),占空比還與選擇開關(guān)管的耐壓有關(guān),有一些早期的反激電源使用比較低耐壓開關(guān)管,如600V或650V作為交流 220V 輸入電源的開關(guān)管,也許與當(dāng)時(shí)生產(chǎn)工藝有關(guān),高耐壓管子,不易制造,或者低耐壓管子有更合理的導(dǎo)通損耗及開關(guān)特性,像這種線路反射電壓不能太高,否則為使 開關(guān)管工作在安全范圍內(nèi),吸收電路損耗的功率也是相當(dāng)可觀的.實(shí)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(shí)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(guān)管.像

21、這種電路,抗過壓的能力強(qiáng)一些開關(guān)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(píng)估板一般反射電壓都要低于這個(gè)數(shù)值在110V左右.這兩種類型各有優(yōu)缺 點(diǎn): 第一類:缺點(diǎn)抗過壓能力弱,占空比小,變壓器初級(jí)脈沖電流大.優(yōu)點(diǎn):變壓器漏感小,電磁輻射低,紋波指標(biāo)高,開關(guān)管損耗小,轉(zhuǎn)換效率不一定比第二類低. 第二類:缺點(diǎn)開關(guān)管損耗大一些,變壓器漏感大一些,紋波差一些.優(yōu)點(diǎn):抗過壓能力強(qiáng)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(gè)參數(shù)有關(guān),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(guān)管承受電壓越高,有可能擊穿開關(guān)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(shè)計(jì)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(gè): (1)、 采用大一個(gè)功率等級(jí)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(guān)電源,如光碟機(jī)、DVB機(jī)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(gè)矛盾,必須要有一個(gè)替代過程才

23、能找到一個(gè)合適的點(diǎn),在變壓器替代實(shí)驗(yàn)過程中,可以檢測(cè)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(shí)比較合適. (3)、 增強(qiáng)耦合,降低損耗,采用新的技術(shù),和繞線工藝,變壓器為滿足安全規(guī)范會(huì)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(shí)生產(chǎn)中可采用初級(jí)繞組包繞次級(jí)的繞法.或者次級(jí)用三重絕緣線繞制,取消初次級(jí)間的絕緣物,可以增強(qiáng)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(dòng)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(yīng)強(qiáng)度(B),現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝一般飽和點(diǎn)在400mT以上,一般此值 在設(shè)計(jì)中取值應(yīng)該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)此值與磁化電流強(qiáng)度成比例關(guān)系.磁路開氣隙相當(dāng)于把磁體磁滯回線向X軸向傾斜,在 同樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度下,可承受更大的磁化電流,則相當(dāng)于磁心儲(chǔ)存更多的能量,此能量在開關(guān)管截止時(shí)通過變壓器次級(jí)瀉放到負(fù)載電路,反激電源磁芯開氣隙有兩個(gè) 作用.其一是傳遞更多能量,其二防止磁芯進(jìn)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(dān)負(fù)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