安全性與不會(huì)妨害其它電子設(shè)備是設(shè)計(jì)高功率印刷電路板首

安全性與不會(huì)妨害其它電子設(shè)備是設(shè)計(jì)高功率印刷電路板首要重點(diǎn)，所謂安全性包含電路無(wú)燃燒與觸電之虞，此外在相同筐體內(nèi)不會(huì)造成其它電路誤動(dòng)作，或是妨害其它電子設(shè)備的正常動(dòng)作，也是必需注意的基本要項(xiàng)。有關(guān)安全性與對(duì)其它電子設(shè)備的干擾問(wèn)題，事實(shí)上UL規(guī)范與EMC規(guī)范都有詳細(xì)的規(guī)定，為了符合UL與EMC的規(guī)范因此設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，必需充分掌握安全規(guī)范的各項(xiàng)細(xì)節(jié)，尤其是噪訊(noise)造成的電路誤動(dòng)作，造成事后對(duì)策非常頻繁的場(chǎng)合，往往是設(shè)計(jì)印刷pattern時(shí)未作事前檢討所致。如果電路設(shè)計(jì)與印刷pattern設(shè)計(jì)分屬不同單位時(shí)，電路設(shè)計(jì)者必需與印刷pattern設(shè)計(jì)者作充分的事前溝通。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)顯示pattern設(shè)計(jì)者一昧依循常識(shí)，解讀未作詳細(xì)說(shuō)明的項(xiàng)目時(shí)，經(jīng)常會(huì)招致嚴(yán)重的設(shè)計(jì)挫敗。有鑒于此本文要深入探討有關(guān)高功率印刷電路板的設(shè)計(jì)技巧。

高功率印刷電路板的十大基本設(shè)計(jì)要領(lǐng)避免拉伸pattern，盡量削減多余銅箔削減多余銅箔

一般認(rèn)為所謂的pattern設(shè)計(jì)，直覺(jué)上祇是單純的patternlayout，然而設(shè)計(jì)高功率印刷電路板的pattern并非單純的patternlayout，當(dāng)電壓施加于電路時(shí)，電路板板上的各pattern之間的間隔設(shè)計(jì)，亦即如何削減多余銅箔才是設(shè)計(jì)高功率印刷電路板的主要技巧。降低pattern阻抗

為何不鋪設(shè)pattern主要目的是要降低pattern阻抗(impedance)，由于削減多余銅箔可使pattern幅寬變粗，銅箔面積變大直流阻抗變小。此外圍繞pattern的面積變小，相對(duì)的pattern的阻抗(impedance)變小，整體而言阻抗可大幅減少。采用粗短pattern的設(shè)計(jì)

若與小信號(hào)的數(shù)字電路比較時(shí)，由于高功率印刷電路是以高電壓大電流為對(duì)象，所以必需充分掌握電路電流的特性，才能決定pattern的幅寬。根據(jù)電流實(shí)效值計(jì)算pattern的幅寬

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)顯示pattern的幅寬每1mm的容許電流約為1A左右，不過(guò)必需注意的是上述經(jīng)驗(yàn)值征適用于電流變化較少的直流電源，類(lèi)似switching電源等電流變化與峰值電流極大的電路，若直接使用上述經(jīng)驗(yàn)值就會(huì)造成誤動(dòng)作與效率降低等嚴(yán)重后果。由于switching電源的電流呈斷續(xù)性流入電路，所以電流的實(shí)效值會(huì)比平均值大，此時(shí)必需使用電流的實(shí)效值才能決定pattern的幅寬。如圖1所示的電流波形實(shí)效值IRMS[ARMS]，根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果為0.5ARMS，也就是說(shuō)pattern的幅寬必需大于0.5mm。

Ip:峰值電流[A]。

ton:ON的時(shí)間[S]。

t:switching的周期[S]。

pattern的幅寬較窄小的場(chǎng)合可加大銅箔厚度，如上所述pattern的幅寬每1mm的容許電流約為1A左右，此時(shí)銅箔厚度約為35μm，不過(guò)實(shí)際上高功率印刷電路的銅箔厚度卻高達(dá)70μm，換言之相對(duì)于幅寬1mm的pattern，容許實(shí)效電流等于是2A左右。寬幅pattern可降低損失

由于switching電源已經(jīng)成為提高效率必要組件之一，因此出現(xiàn)許多高效率電路，不過(guò)實(shí)際上經(jīng)常因?yàn)閜attern設(shè)計(jì)不當(dāng)造成電力損失，使的高效率電路無(wú)法發(fā)揮預(yù)期的效果，由此可知pattern寬度對(duì)防止效率降低具有決定性的影響。

pattern造成的電力損失可由電路的實(shí)效電流與pattern的直流阻抗求得，pattern的直流阻抗R[?]可用下式表示:

p:體積阻抗率[??m]。

l:pattern的長(zhǎng)度。

a:截面積[cm2]。

0℃時(shí)銅的體積阻抗率率為1.55×10-8??m，100℃時(shí)為2.33×10-8??m，因此T℃時(shí)銅的體積阻抗率p可用下式表示:p={(2.33-1.5)×(T/100)+1.55}×10-8

=(0.0068T+1.55)×10-8---------------------------------------------(3)

由上式可知pattern越粗大，pattern的阻抗相對(duì)的越小，換言之設(shè)計(jì)高功率電路時(shí)除了必需確保pattern之間的間隙(gap)與必要的pattern之外，還可以利用蝕刻方式將多余的pattern銅箔去除，如此一來(lái)便可有效降低pattern的阻抗，進(jìn)而提高高功率電路的效率。注意pattern的溫升特性

表1是pattern的溫度分別上升100C、200C、400C時(shí)pattern的幅寬與容許電流與的依存特性。一般認(rèn)為設(shè)計(jì)高功率電路時(shí)，溫升不可大于200C，也就是說(shuō)0.1mm的pattern幅寬容許0.7A的電流，1.0mm的pattern幅寬容許3A的電流也因而成為常用的設(shè)計(jì)參考值。上述式(1)pattern幅寬為1.0mm，實(shí)際上電流值祇有1A，因此并未超過(guò)常用的安全值。

表1pattern的溫度與pattern幅寬、容許電流的特性確保pattern之間的間隙

雖然pattern之間的間隙(gap)取決于施加于電路的電壓，不過(guò)某些情況標(biāo)準(zhǔn)安全規(guī)范并非不完全適用，所謂的安全規(guī)范規(guī)定的pattern之間的間隙與耐電壓，基本上是針對(duì)商用電源、絕緣與防止觸電而設(shè)的，如果pattern之間的間隙太狹窄，耐電壓測(cè)試時(shí)極易產(chǎn)生corona放電，造成絕緣受到破壞。有關(guān)耐電壓測(cè)試所施加的電壓則必需依循適用的安全規(guī)范。表2是各種安全規(guī)范規(guī)劃的pattern間隙與耐電壓特性。

(b)其它規(guī)范pattern之間的間隙(mm)耐電壓電氣用品安全法(日本)2.551~1503151~3005301~440UL(美國(guó))1.5951~1252.38126~25012.7251~440歐洲規(guī)范(德國(guó))251~1303131~2504251~440表2各種安全規(guī)范規(guī)范的pattern間隙與耐電壓特性

相同pattern，隨著部位差異，電位不盡相同深入檢討電流造成的電位差異

大電流流動(dòng)部位會(huì)因pattern的直流阻抗發(fā)生電位差，此外類(lèi)似方形波等站立極為快速的電流流動(dòng)部位，會(huì)因電感(inductance)產(chǎn)生電位差，因此控制電路的common電位時(shí)，必需避免變化激烈的電流流入處理微小信號(hào)的電路pattern內(nèi)。由圖2(a)的電路圖可知大電流會(huì)流入ICground的pattern內(nèi)，如果進(jìn)行如圖2(b)1點(diǎn)連接設(shè)計(jì)變更，大電流就不會(huì)流入ICground的pattern內(nèi)。

圖2考慮大電流的電路設(shè)計(jì)方法仔細(xì)檢討電流的流動(dòng)特性return電流的流動(dòng)方式

雖然理論上阻抗(impedance)越小電流越容易流動(dòng)，不過(guò)該法則卻不完全適用于高功率電路。如圖3(a)所示的pattern，雖然return電流會(huì)流入某部位的groundpattern內(nèi)，不過(guò)電流的流動(dòng)方向卻因電流頻率改變，例如3(b)是直流電的電流的流動(dòng)方向；圖3(c)是電流頻率變高時(shí)的流動(dòng)方向，也就是說(shuō)returnpattern很細(xì)、頻率很高時(shí)，如果將patternlayout成圖3(d)所示結(jié)構(gòu)時(shí)，阻抗(impedance)就會(huì)變得非常小，由此可知任意鋪設(shè)直線性pattern，會(huì)使阻抗變大。

圖3return電流的流動(dòng)方式均等分流

由于電子設(shè)備基于小型化與輕量化等市場(chǎng)要求，因此類(lèi)似圖4(a)的電路采用復(fù)數(shù)個(gè)低容量電解電容并列連接設(shè)計(jì)，相較之下如果是使用圖4(b)的pattern設(shè)計(jì)時(shí)，由于通過(guò)C1的?路徑比通過(guò)C2路徑的?短，所以C1的電流會(huì)比C2的電流大，而且C1的電流電流更容易流動(dòng)。基于C1的電流可能會(huì)超越容許ripple電流等考慮，因此采用復(fù)數(shù)個(gè)低容量電解電容并列連接，設(shè)計(jì)上必需盡量使流通各電容switching電流的pattern長(zhǎng)度等長(zhǎng)。圖4(c)是具體設(shè)計(jì)實(shí)例，由圖可知電流通過(guò)C1的?路徑與通過(guò)C2路徑的?路徑長(zhǎng)度幾乎相同，所以電流能均勻流通。

圖4電解電容并列連接的設(shè)計(jì)噪訊隨著pattern的設(shè)計(jì)改變?cè)胗嵉陌l(fā)生機(jī)制

當(dāng)頻率很高時(shí)會(huì)因pattern之間的浮游容量，導(dǎo)致電流流入其它pattern以及筐體與pattern之間，該電流就是造成傳導(dǎo)噪訊與誤動(dòng)作的主要原因。雖然基本上噪訊的發(fā)生與pattern的設(shè)計(jì)并無(wú)直接關(guān)連，不過(guò)筐體與組件之間也會(huì)產(chǎn)生噪訊。需格外注意高阻抗pattern

類(lèi)似OP增幅器的加算點(diǎn)(summingpoint)等阻抗極高的pattern，極易受到即使祇有pA等級(jí)的漏電流影響，因此設(shè)計(jì)上必需設(shè)法避免OP增幅器輸入端子的pattern與其它pattern交叉。此外OP增幅器的輸入端子收容各種遠(yuǎn)離輸入阻抗與復(fù)歸阻抗等組件的pattern，因此自然的輸入端子的pattern長(zhǎng)度會(huì)變長(zhǎng)，有鑒于此設(shè)計(jì)上必需盡量將組件設(shè)于OP增幅器的輸入端子附近，藉此降低pattern的長(zhǎng)度。pattern設(shè)計(jì)不當(dāng)是誤動(dòng)作的主要原因

許多誤動(dòng)作是因?yàn)橥籶attern的電位差所造成，尤其是電路圖上看似同一電位，然而實(shí)際電路的電位卻有差異，主要原因是pattern潛藏許多肉眼無(wú)法辨識(shí)的配線阻抗(impedance)等電路定數(shù)，使得電路無(wú)法依照預(yù)期設(shè)計(jì)動(dòng)作，因此設(shè)計(jì)上必需作1點(diǎn)連接，藉此避免大電流流入控制電位的common，同時(shí)減少流通大電流pattern圍繞面積，也就是說(shuō)設(shè)計(jì)pattern時(shí)詳細(xì)檢討pattern的阻抗(impedance)，是降低電路誤動(dòng)作的最有效對(duì)策。Power電路遠(yuǎn)離控制電路

Power電路處理的電力遠(yuǎn)大于控制電路，對(duì)控制電路而言Power電路變成是噪訊發(fā)生源，為了降低噪訊對(duì)控制電路的影響，所以Power電路必需在物理距離上盡量遠(yuǎn)離控制電路。不可在組件面設(shè)置pattern的場(chǎng)合組件的封裝至pattern的距離是潛伏性問(wèn)題

例如電解電容的外殻雖然是用絕緣film封裝，不過(guò)大部份的場(chǎng)合卻無(wú)法保證該film的絕緣性，因此若在組件面作pattern配線，當(dāng)pattern與電解電容的端子以及外殻連接時(shí)，變成祇有film部位是絕緣，而該部位又必需通過(guò)UL規(guī)定的耐電壓測(cè)試，電壓很低時(shí)尚不致構(gòu)成問(wèn)題，不過(guò)當(dāng)使用電壓很高時(shí)，電解電容的絕緣film就會(huì)有耐電壓不足的困擾。組件面除外可設(shè)置pattern的case

為克服上述困擾必需避免在電解電容的下方作組件面pattern配線。所謂的高使用電壓也可視為非安全電壓，因此一般認(rèn)為UL安全規(guī)范經(jīng)常會(huì)超越42.4V尖頭值或是60V直流電。分散設(shè)置發(fā)熱組件

大部分的高功率電路組件都會(huì)產(chǎn)生大量熱能，因此必需借助pattern與散熱器散熱。如果將發(fā)熱組件集中在相同部位很容易造成溫升問(wèn)題，所以理論上希望盡量分散設(shè)置發(fā)熱組件，然而事實(shí)上高功率電路基于低pattern阻抗要求，因此經(jīng)常將組件集中設(shè)置，如此一來(lái)形成理論與實(shí)際相互矛盾的特殊現(xiàn)象，根本解決方法是綜合電路設(shè)計(jì)條件與散熱條件，依此進(jìn)行tradeoff，再?zèng)Q定pattern的layout細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)實(shí)例

接著以Flybacktype電源供應(yīng)器(S.P.S:SwitchingPowerSupply)為例，具體說(shuō)明高功率電路pattern的layout技巧。Flybacktype的電源供應(yīng)器switchingFETON時(shí)，會(huì)將能量(energy)儲(chǔ)存于變壓器內(nèi)(transformer)，F(xiàn)ETOFF時(shí)則將能量釋放至OUTPUT端。表3與圖5分別是Flybacktype電源供應(yīng)器的概要規(guī)格與電路圖。ITENSPEC輸入電壓AC95V~130V,50Hz/60HzSwitching頻率40KHz輸出電壓+5V±5%,最大4A輸出電流±12V±3%,最大0.3AFlybacktype電源供應(yīng)器的概要規(guī)格

圖5Flybacktype電源供應(yīng)器的電路圖電源輸入端(以下通稱(chēng)為1次端)與輸出端(以下通稱(chēng)為2次端)利用高頻變壓器(transformer)絕緣，所以1次端與2次端的組件以作區(qū)隔分離。本電路的輸出電壓不作復(fù)歸，為獲得IC的電源因此使補(bǔ)助卷線電壓復(fù)歸，所以整體而言能夠輕易作1次端與2次端的隔離。此外如果基板的端緣很靠近筐體時(shí)，1次端的pattern與組件必需從基板端緣配置。圖6是合成pattern圖，圖7與圖8分別是組件面的pattern圖與焊接面的pattern圖。由于本設(shè)計(jì)例主要目的是以說(shuō)明為主，所以并不代表電路動(dòng)作與性能完美無(wú)瑕疵。

圖6switching電源供應(yīng)器電路板的合成pattern

圖7switching電源供應(yīng)器電路板的組件面pattern

圖8switching電源供應(yīng)器電路板的焊接面pattern有關(guān)Power電路單元1次端pattern的設(shè)計(jì)要領(lǐng)

由于從C7＋端子到T1腳架1(pin1)、從T1的腳架3(pin3)到Q1腳架1(pin1)，從Q1腳架(pin3)通過(guò)R10，與另一C7端子連接的pattern流有大電流，因此pattern必需設(shè)計(jì)成粗短狀，同時(shí)盡量減少?lài)@面積，其結(jié)果如圖9所示。

圖9Power電路板的1次端pattern2次端pattern的設(shè)計(jì)要領(lǐng)

2次端pattern的設(shè)計(jì)與上述1次端一樣，pattern必需設(shè)計(jì)成粗短狀，同時(shí)盡量減少?lài)@面積，其結(jié)果如圖10所示。

圖10Power電路板的2次端pattern也就是說(shuō)下列pattern必需與1次端一樣，pattern必需設(shè)計(jì)成粗短:T1的腳架13(pin13)以及從腳架14(pin14)通過(guò)D10，再與C8以及C9的＋端子連接的pattern。從C8以及C9的－端子與T1的腳架11(pin11)、腳架12(pin12)連接的pattern。電容并列連接時(shí)，需作等長(zhǎng)配線設(shè)計(jì)

C8以及C9的連接如圖4(b)所示，從T1觀之＋端子與－端子的合計(jì)pattern作等長(zhǎng)連接，圖10是C8以及C9部分pattern，外觀上看似單純的betterpattern，不過(guò)如果仔細(xì)觀察時(shí)事實(shí)上pattern卻如圖4(b)所示。相關(guān)電路盡量集中設(shè)置

由D8，R8，C12構(gòu)成的電路，以及D9，R11，C5構(gòu)成的電路統(tǒng)稱(chēng)為snubber電路，因此將T1的腳架1(pin1)、腳架3(pin3)以及Q1的drain設(shè)于source附近。實(shí)際上電流偵測(cè)阻抗會(huì)流入Q1的source，因此將D9，R11與R10連接。設(shè)法降低pattern的阻抗

由于＋12V端C13，C14的pattern電流很低