开关电源印制电路板相关设计举例

1、开关电源印制电路板相关设计举例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 酚醛纸质覆铜箔板。 环氧酚醛玻璃布覆铜箔板。 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、 1mm、 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、50m厚的印制导线（截面积为0.07

2、5mm2 ) ，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。 印制电路板的印制电路板的通流能力通流能力表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覆铜箔板的绝缘电阻表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

3、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问题。尺寸

4、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 200mm150mm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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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 50m 、宽度为的印制导线通过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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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作为焊盘的内径。焊盘本身的直径与内孔

15、直径有关，常取内孔直径的1.52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

16、盘开一个小口，这样，在波峰焊时就不会被焊锡封住了。 印制电路板的地线问题印制电路板的地线问题图中的电路 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

17、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 50m ，则可以算出这根导线的电阻为 )/(slR式中，是电阻率，； l是导线长度， m； s是导线的截面积，mm2 。代入，可算得R =0.02 （）此式表明，当电路 1 有1A 的交变电流通过 AB 线段时，在印制导线上将产在的压降，此电压将被作用到电路 2 上。在高频工作时，导线的阻抗主要由导线的电感决定。对一段远离其他导体的导线来说，当其长度远大于宽度时，导线的自感量大体上可表达为H/m。对同样是2cm

18、长的导线来说，它有H的电感量。当导线中通过频率为30MHz 的高频电流时，则导线体现的感抗为014. 310016. 0103014. 32266fLXL 由此式可见，工作频率升高，导线的感抗要远大于它本身的电阻。同样有1A 的高频电流流过时，导线上产生的压降就是3V 。因此，在高频电流作用下，导线上产生的干扰是可观的。留给我们的启示是，印制电路板上的走线长度要尽可能短些和粗些，以减少导线感抗对电路带来的干扰。 图是用SG6840电路制作开关电源的逆变部分地线的处理方案 （1）为了取得更好的电磁兼容性能，以及减少工频整流的纹波对SG6840电路工作的影响，桥式整流电路的输出首先应该接到电容器C

19、2上，然后再与逆变电路相连（见图中的连线 ）。（2）在逆变部分的大电流环路中（ C2高频变压器MOSFETRsC2) , Rs 和 C2之间的连线要尽可能地短，不要在Rs 和C2之间布置元器件（见图中的连线 ）。（3）分离C1的接地环路，一路接SG6840的GND，另一路接偏压绕组（见图中的连线 ）。（4）C1要靠近SG6840的VDD和GND，以便取得尽量好的去耦和滤波效果。（5）SG6840 控制电路中的 R1、RT，以及光电耦合器的地要连在一起，并且靠近 SG6840 的 GND （见图中的连线 ）。 （6）最终， SG6840的GND要和Rs的地连在一起（见图中的连线 ）。 小结：小结

20、：（1）开关电源是一个比较复杂的电路，既有高频大电流的驱动电路（如开关晶体管和高频变压器等），又有小电流的测量和控制电路，电路之间的联系是错综复杂的，因此要处理好地线的布局，就要从电路本身出发，对各部分线路做全面的考量，分清大、小电流之间的关系，测量、控制与驱动电路之间的关系。（2）在地线布局中，不能仅仅停留在“直流同电位”概念上来理解电路的工作，要注意电路的动态过程，注意地线中电流及其流向。只有通过电流的流向，才能分析出地线的布局合理与否，并判断出是否存在干扰。地线布局的合理性可以用两句话来概括：地线中的电流是否流过了与此电流无关的其他电路、部位和导线，以及有没有其他部位和电路中的电流流入了

21、本部分电路的地线。（3）说起合理的地线布局，也不是地线越多越好，其实，地线分得太多也容易造成接地的电位差，不利于电路间的衔接，给排版带来困难。反之，地线分得过少，有可能在地线上出现公共阻抗问题。因此，地线的分配要以地线中的电流为依据，既不能使会引起干扰的电流合用一根地线，又不要将允许在一根地线中通过的电流硬生生地用另外的地线给分离开来。 7.5 印制电路板的干扰与抑制问题印制电路板的干扰与抑制问题开关电源印制电路板的布局不良，除了电路会通过公共阻抗产生直接干扰外，还会通过布线和元器件产生电磁干扰。 图是相邻的两条平行线，它们之间的分布参数可等效为相互耦合的电感和电容。当其中一根线（AB）通过交

22、流电流时，经电场和磁场的耦合，会在另一根线（CD）上产生感应电势。感应电势的大小与AB中的电流大小、频率高低、电路阻抗及交变电势的幅度有关。当AB中的电流越大、频率越高、交流电势幅值越大，以及CD电路的阻抗越大时，则在 CD 上感应得到的电势也越大。这种由线路分布参数引起的干扰被称为寄生干扰。它与印制电路板的布线有关。 印制电路板布线时应该注意的问题：（1）板内导线在排板时，应当避免采用大环布局的方法。最好是将信号及其回线采用靠近和各自平行的布局，由于平行导线的磁场是相互抵消的，所以能减少对其他导线的磁场耦合。 （2）对信号线和电源的输入、输出线在板内的布局，为了防止寄生耦合的产生，应当做到：

23、 信号的走线应该越短越好； 电路的排列要按照信号的顺序，不要迂回或越级排列，这样各级间的信号线不会相互跨越； 信号线在排板时要尽量避免相互靠近和平行排列，在处理板内跳线和双面印制电路板时，要注意使两面的导线呈垂直或交叉布设，如图所示。图7.4 印制电路板内的两面导线布设 对板内需要平行布设的导线，应当使这些平行导线之间尽可能隔开一些距离，或在它们之间插入地线、电源线来作为屏蔽。 并不是对印制电路板中所有的信号线都不许平行，这会给排板带来困难，正确的办法是根据导线中的信号情况区别对待，区分哪些容易干扰，哪些不容号相互干扰。在电路中，对于那些前后沿较陡的脉冲波，虽然波形本身工作频率并不高，但由于谐

24、波丰富，会使信号有极宽的频谱，照样会对周围电路产生干扰，对于这样的信号就要注意合理布局。 （3）在开关电源中，反馈控制的元器件和导线在排板中布局的好坏对电路的稳定工作有很大影响。布置得当，可以防止这些导线和元器件对其电路产生寄生耦合和干扰。图 7 . 5 是一个很典型的开关电源印制电路板设计实例，是一块用SG6840控制器制作开关电源的印制电路板。图中可见，反馈控制电路（用光电藕合器担当）放置在前、后级电路（分别是直流输出部分和直流逆变部分）之间的交界部位，使连接反馈元器件与前、后级的寄生耦合与干扰为最小。 图典型的开关电源印制电路板设计实例（注意，在直流逆变与直流输出之间有足够的安全距离）（

25、4）为了防止开关电源的输入与输出之间的寄生耦合，在印制电路板布局时，要尽可能将输入和输出安排在较远的位置。当使用印制电路板的接插件时，输入与输出端应安排在接插件的两侧。输入、输出的位置还要结合板内布局来考虑，不要使输入、输出在板内穿越的路径过长。 当印制电路板不使用接插件引出时，板内的输入、输出可在电路就近的印制电路板边缘分散引出，或者紧靠电路的部位引出，不要为了使引出端强求整齐一致，而将输入、输出排列在一起，这样会造成输入与输出部分的相互耦合。图画出了一个开关电源的布局。其特点是功率级和输出级远离了输入滤波器，有效地阻止了它们与交流输入电源线之间的耦合，从而避免了开关电源工作时，开关电源自身

26、所产生的电磁干扰直接祸合到电源线上。 图7.6 开关电源的布局（5）由元器件产生的磁场干扰会对开关电源的工作产生影响。抑制这种磁场干扰，除了可采取必要的屏蔽外，还应在排板中合理安排元器件的位置。有时合理地选择元器件的安装位置，以减小磁场的干扰，比单纯屏蔽更重要，因为它可以降低元器件对屏蔽的要求，甚至可以省去屏蔽，这对降低成本、简化结构和减轻重量有重要的意义。在开关电源中，没有用永磁材料制作的元器件，能遇到的主要是一些高频变压器和扼流圈，这些元器件在工作时，能够在元器件的周围产生漏磁场，因此在印制电路板排板时应把这些漏磁场的干扰因素考虑进去： 导体在交变磁场的作用下，会感应出电动势。对闭合导体说

27、，则会产生感应电流。图为当变压器的漏磁场切割环形地线时产生的感应电流，同样也使线路的各点产生交流电位差。 为了消除印制电路板受交变磁场干扰，除了在布局时尽量不要采用环形布线外，还要选择好变压器在印制电路板上的安装位置，使印制电路板的平面与磁力线相平行，这样交变磁场就不会切割印制电路板平面内的所有导线，如图所示。只要变压器在印制电路板上的安装位置得当，即使是与变压器距离很近的导线，也有较好的干扰抑制效果。但是，不要在离磁场干扰源比较近的地方安排开关电源的反馈控制部分，以免使导线和元器件检拾交变磁场。 对于电感线圈，除了在电路布局许可下，要尽可能安排得远些，还要合理安排线圈的相对位置，使线圈之间的

28、耦合尽可能小些，图是线圈相互位置与耦合的关系，当线圈的轴线在一条直线上或相互平行时，耦合为最大；而线圈相互垂直时，耦合为最小。当印刷电路板上装有继电器时，继电器的磁场和触电启闭时产生的火花均会产生电磁干扰，故继电器不宜安装在信号比较弱的电路附近，还必须对继电器的线圈和触点进行必要的处理，以抑制干扰的产生。 对于高频变压器等磁性元器件来说，采用屏蔽也是一种抑制磁场干扰的有用措施。用图可以说明对漏磁进行屏蔽的原理。这是利用磁场在屏蔽的金属内部产生感应电流而起到屏蔽作用的：在磁屏蔽体内的感应电流方向和线圈的电流方向相反，从而使屏蔽体里产生的磁力线与线圈的磁力线相互抵消，它可阻止线圈磁力线的泄漏。屏蔽

29、体中的电流与频率成正比，频率越高，屏蔽体中的电流也越大，屏蔽效能也越好。所以，它对开关电源中的高频变压器有较好的屏蔽作用。 图电磁屏蔽的原理图图是一个开关电源高频变压器作为磁场屏蔽的具体例子：变压器的磁心外廓采用多层钢带做普通的磁屏蔽，各层间也可以用较厚的纸板做衬垫，从而增加屏蔽效果。另外，在变压器外侧的线圈上包一层铜皮的短路环，这时由漏磁产生的感应电动势在短路环上形成电流，从而起到减少漏磁的作用。 钢带用于磁场屏蔽，铜带用于对漏磁的屏蔽图7.11 开关电源高频变压器的屏蔽（钢带用于磁场屏蔽，铜带用于对漏磁的屏蔽）7.6 开关电源的印制电路板设计举例开关电源的印制电路板设计举例图7.12 ST

30、204A 开关电源的电路图源极管脚的单点接地问题源极管脚的单点接地问题图显示了其中自动再启动补偿电容C5必须采用单点接地方式接至源极。合理的印刷电路板布局可以避免由于源极开关电流过大而引起在导通期间的误关断或工作不稳定。输入电容Cl的高压回线必须单独直接接到源极的焊盘，而不能与 C5的连线合在一起。偏压反馈的回线也应当单独直接连接到源极的焊盘。 图7.13 ToPSwiteh 开关电源的印制电路板布局举荐源极的引脚必须尽可能地短，而不要折弯或延长源极的引脚。 TOPSwitch 要完全插进印制电路板里。对于漏极，如果确有必要，则可以适当弯折或延长漏板的引脚。7.6.2 理想的元器件布局理想的元器件布局图示出了理想的元器件布局（以 TOPSwiteh 开关电源为例），以及单面印制电路板的布线连接，其中涉及所有关键的功