三圈两地开关电源PCB布板要领.docx
- 文档编号:25862950
- 上传时间:2023-06-16
- 格式:DOCX
- 页数:57
- 大小:4.91MB
三圈两地开关电源PCB布板要领.docx
《三圈两地开关电源PCB布板要领.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《三圈两地开关电源PCB布板要领.docx(57页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
三圈两地开关电源PCB布板要领
三圈两地,开关电源PCB布板要领
Ref
【作者nc965】
有人说关电源的布板反正很麻烦,我同意,因为它是开关电源,不是其他
题目是讲“要领”,因此不讲细节,也不是教材,与教材或者他人的理解相左、我也不做过多解释
有人说否!
细节很重要,决定成败,
我说,要领最重要,基本的东西最重要,关键的地方没整对,大方向都错了,谈何细节?
因此只捡最重要的讲,其余的自己去琢磨了。
要领就6个字:
布局,地线,间距。
其实前4各字基本上是一层意思,后两个字是另外一层意思,这些是要领,其余的都是细节了。
优化图示
第一的好与不好,是电容及电感的位置不一样,“C-L-C”π型滤波器
不好 好(大电流开窗)
第二背面的好与不好,就是回路有分割与没分割的区别!
不好 好(电感后电容开口)
第一张图的π型滤波器的电容在电感之后,
第二张图的电容管脚铜皮开缺口(保证电流尽量通过电感上方的电容?
)。
滤波效果差异
其实在图中已经标注出来了的;
【nc965】仔细看图,没有说输入输出电流流过电容,正因为输入输出是直流,不能流过电容,那么高频开关电路的高频脉冲交流就只能走电容了,因此电容上的脉冲电流特别大。
恩,这个图例子举的不错,一要遵循电流的流向,二要出线尽量从电容的根部出来。
输出电容一般可采用两只一只靠近整流管另一只应靠近输出端子,可影响电源输出纹波指标,两只小容量电容并联效果应优于用一只大容量电容。
发热器件要和电解电容保持一定距离,以延长整机寿命,电解电容是开关电源寿命的瓶劲,如变压器、功率管、大功率电阻要和电解保持距离,电解之间也须留出散热空间,条件允许可将其放置在进风口
其他讨论
是不是太宽了也容易被干扰到,最近做一个案子,把IC地线加粗后低压高温烧机时会出现工作不正常。
比如说有些动点(电感与开关管之间)就不宜布的过大
【lclbf】
看看我画的这个板子,怎么优化?
自己感觉IT回来面积太大,有没有想到其他好的方法,还有接地和其他回路有没有问题。
下面改动了一下,自己感觉会好很多,但是还有些元件不好摆放,换种散热器可以,但是价格高几毛,老板不愿意,散热器下面不能布线放元件,还有个方法就是把散热器升高。
电流分类,开关电源中
【作者nc965】
开关电源在布线上最大的特点是拓扑引起的高频(高压)强电流与控制级的弱电信号交织在一起,首先要保证强电流的存在不干扰电源内部的控制信号,其次要尽量减少对外部的干扰(EMC)。
一句话:
要运行最稳定、波形最漂亮、电磁兼容性最好。
关键词一:
电流
一个典型的开关电源强电流分布(图一):
特点:
1、每种拓扑的输入输出电流 Ii 和 Io 幅度较大(与控制信号相比),但以直流为主。
2、每种拓扑的拓扑电流 It 幅度也较大,但一般没有尖峰毛刺,是拓扑产生的典型波形。
3、每种硬开关拓扑都有一个高频脉冲电流 Ip 回路,其幅度最大,且有可观的尖峰毛刺,其中毛刺部分幅度大,频率高,因而含有较高的能量。
它一般是由续流或者吸收(钳位)二极管反向恢复引起的冲击电流回路,是最容易引起干扰的元凶。
4、 以上四种电流对应流经一段地线,并可能在对应的地线段上产生干扰电位差。
电流分类是开关电源布线的主要线索,请大家记住这个图。
关键词二:
电容
从图中可以看出,It 和 Ip 电流完全(不是部分)地流经了各自对应的一个电容 Ci 和 Co。
一般人很少去关注电容上流过的电流,而实际上这正是开关电源布局的关键之一。
干扰都是通过电容被旁路的,整个电路最强劲电流都在电容上,电容很重要!
按照反应速度分,最快的器件是电容、二极管(别跟我扯正向恢复)等器件,最慢的器件是电感等器件。
要领一:
高频脉冲电流 Ip 回路最小化(第一个圈)
首先找到你电路的高频脉冲电流 Ip 回路(每个拓扑都有的),它一般都是由包括开关管在内的快速器件组成的环路,在布局上让它最小化(连线最短、面积最小,因而干扰最小)。
这个是整个开关电源布局的第一步,而不是先去张罗输入输出在哪?
IC放哪?
这样连接后,ND两个地会合并在一起,形成一个点,这个点就是整个电路的接地中心。
要领二:
拓扑电流 It 回路最小化 (第二个圈)
找到你电路的拓扑电流 It 回路(每个拓扑都有的),它一般都是包含了一个电感(或者变压器原边)的拓扑主回路的一部分,让它最小化。
注意:
1、It回路与Ip回路有部分重叠(才能构成拓扑),因此It回路(应该)是在Ip回路(已经布置好的)基础上的延伸。
2、有时候这两个回路的布局有冲突,一般应以Ip 回路为主。
3、对于隔离拓扑,It回路被变压器分隔成原边和付边两部分,应分开最小化布置。
4、 如果It回路有个接地点,那么这个接地点应与上述接地中心重合,不能布置到一个点时,也要尽量缩短距离,同时留心这段地线上的It电流可能的影响。
5、条件受限时,上述2个回路的(输入输出)电容可能不能共地,必要时可以电气并联的方式就近增加一个(或两个可以共地的)高频电容达成共地。
画好这两个圈,这个PCB板布局的大致方位基本上确定了。
现在再考虑控制在哪?
输入输出在哪?
需要特别指出的是:
1、这种布局是针对硬开关的,但是对软开关拓扑仍然有效,你总不希望自己的软开关谐振波形上再意外出现一个小波吧?
2、这种布局是针对硬开关的,它就是要让电路看上去更加符合理论波形,拿掉毛刺、拿掉尖峰。
另一层意思是:
它会更硬一些(可能对EMC某些频段不利)。
3、从EMC角度,这种布局就是总体最优化结构,整体上最容易过辐射和传导测试。
具体到某个板能不能过?
按这样布局后的整改工作量和成本也是最小。
关键词三:
接地中心
图二
根据以上布局,图一地线上G、N、D三个点已经最大程度的合并成一个点了,这就是拓扑接地中心 GND。
它的意义也很明确:
这个点以外的地线上应该已经没有大的脉冲电流了,你的地线基本上就安静了,你的板总体上也安静了。
因此,主电路的其他部分:
桥在哪?
输入输出端子在哪?
怎么走线都问题不大了。
关键词四:
特殊工况
但仍然有意外情况:
1、如果图一的输入差模滤波电感Li没有或不足,其地线的输入A-GND段仍然可能有较大的脉动电流。
这是由于电源的输入阻抗太低,以至于单独一个Ci还不足以旁路掉所有高频的缘故。
2、输出突然短路、或者输入在交流的高电压角突然开机,电容Co和Ci呈短路运行工况,可能在地线的GND-E或者A-GND段上产生非常强大的电流和高达足以烧坏芯片的电压差(可能十几伏或更高)。
有不少人开机或者短路就烧芯片(其他不烧),多半是这里没处理好。
拓扑的布局处理完了,现在是控制部分。
根据以上布局,已经知道了接地中心,同时也能够看出来开关的驱动脚在哪个方向,就可以就近布置驱动和控制电路了。
开关电源的所有操控,最终都由对开关管的精确驱动来体现,因此驱动环路要优先布置。
目的只有一个:
保持驱动波形的正确和纯粹。
因此:
要领三:
驱动电流Ig回路最小化(第三个圈)
图三
插入[爱国分子]
单点节点更好的是下图(来自上学的时候画电路板很喜欢大面积铺地,现在发现这是很错误的做法。
地线看似简单,但是想铺好,很难。
一般在芯片底下小面积铺地,直接连在芯片地上,其余的地单点接地,注意环流面积,注意隔离模拟数字地,具体怎么铺,很灵活的,要根据具体情况。
记住:
接地的线不一定要专门接在铺的铜上,即使铺也不要大面积铺,而是分成几块铺,然后连接在一个点上,这就是接地):
插入[pq2620]
这个帖子看了好久,学习了好久,
最近遇到几家芯片对布局地线要求非常高
比如SY的芯片布局就和nc965的布局才能正常工作。
如果按照另外一个兄弟说的单点接地就百分比不能工作
然而用谱成的芯片就布局也和nc965你说的布局一样可以工作,但是地线接点比较坑,直接接到VCC电容上也不行,不行近并且最好所有地开个大面积铺铜。
所以布局地线是个大学问。
还需要配合每家芯片研究他们芯片给出的布局资料来布局。
需要注意的是:
1、这个电流环路应包含驱动电路的Vcc滤波电容Cg通道在内,因为驱动电流本质上就是该滤波电容Cg的输出电流。
这个电流(脉冲成分)是很大的,一般是安培级,至少是亚安培级,几乎与拓扑电流相当。
2、这个滤波电容Cg必须贴近驱动IC的供电端子布置,这是因为驱动IC内部的电路和信号可能非常复杂和敏感,完全要仰仗这个电容来撑住。
——这一布线原则对任何一个芯片(电路)都适用,即:
每个IC的Vcc滤波电容无一例外的都必须就近钉在该芯片的Vcc和Gnd引脚上,没得商量。
3、这样布置下来后,一般会形成Rg连线和GND-gnd两条连线,两条连线在环路电流Ig上是等效的。
这意味着改变其中任意一条连线上的电流波形,都将改变驱动电流波形,使其不再纯粹。
这还意味着GND-gnd可能会拉开距离,这就形成了第二个接地中心gnd。
关键词五:
一点接地
gnd 即驱动电路的滤波电容Cg的接地端,它可能与拓扑接地中心GND拉开距离。
如图所示,所有弱电单元的地线应在此一点接地,再连接到GND。
为什么要这样接?
原因是:
1、首先,其中辅助电源的电流Iv是最大的(也可能是安培级),而且跟Ig刚好反向(它是Cg的输入电流),如果其接地点不连接到gnd,比如接到GND,势必会在GND-gnd连线上形成Iv电流回路,使Ig叠加上Iv,导致驱动电流波形畸变,即:
驱动被供电干扰。
基于这个原因,驱动电路的滤波电容Cg的VCC端的输入输出连接也需要分开走线。
2、其他电路单元的电流一般很弱,如果连接到其他地方,则会使GND-gnd连线上较强劲的Ig脉冲电流叠加到自己的地线上,即:
控制被驱动干扰。
3、同理,其他各个电路的地线,无论多么绕,均应分别走线到gnd一点接地,否则,除了可能因上述Ii、Io、Ip、It、Ig、Iv等强电流窜进自己的地线形成干扰外,还可能通过共用地线相互干扰。
最后的关键词:
道理是死的,人是活的
[bittertea]
我仍然认为这种接法也是不对的,不知前辈如何看。
第一个圈为Ig的通路,第二个圈为VCC-GND的供电通路。
可以看到在哪一个公共段中,第一个圈和第二个圈的电流正好是反的,而第一个圈中是脉动的,这样接我认为不大好。
我认为还是你最开始提的第一种是比较好。
[nc965]
这个电流环路应包含驱动电路的 Vcc 滤波电容 Cg通道在内,因为驱动电流本质上就是该滤波电容 Cg 的输出电流。
这里说的是“本质”,理解到这个本质就行,其他说法,比如退耦、滤波,都不是本质。
不少人习惯(见30楼)在大电解焊盘那里开一条缝,说是师傅教的,要挤电流什么的,有道理没?
没道理!
实际上,根据此贴描述,一般只有三个地方需要这样连接,它们是:
拓扑接地中心GND(它不一定在大电解的某个焊盘上)、信号接地中心gnd,Cg的VCC点。
其他地方没有必要搞成一点接地的样子。
意思是搞成那样虽然不会铸成大错,但也没有你期望的效应,画蛇添足而已。
关于桥式变换器
桥式变换器的PCB布局,其实在本帖上述中几个案列中已不止一次的有涉及,但是发现最近与此有关的提问帖突然增多了起来,感觉有必要专门说说这个问题。
之前之所以没有专门提及这个问题,是因为桥式变换器的PCB布局(或者将开关直接钉在铜排上的布局)其实是很简单的,很容易处理好。
考察桥式变换器,无论是半桥还是全桥,无论是硬桥还是软桥,无论是PWM整流桥还是同步整流的桥抑或双向变换的桥,他们都有这样的结构:
图中标明了桥式电路的Ip、It回路,可以看出:
1、结构中,最要紧的Ip回路其实只有3个元件:
Q1、Q2、C1,要把三个元件接成最小回路是很容易的一件事。
2、Q1、Q2内部都有个同等电流电压耐量的体二极管D1、D2(个别没有此二极管的开关需在外面并一个)。
3、无论处于何种工况,因为有此二极管的存在,Ip回路都是最快速而有效的,没有任何尖峰存在的可能。
4、因此位于每个开关两端的RC吸收回路是完全没有必要的,D2-D1-C1回路的拓扑吸收方式比它们更有效,更节能。
5、因某种原因也许C1不能太靠近两个开关,那就再用一个小容量的CBB电容就近达成这个电容,形成最小回路连接。
6、两个这样的最小回路连接的半桥就是全桥,It回路再最短连接即可。
他人板子
Vishay:
已经按照您说的做了,看看还有什么不好的地方,请指出
A15767..:
00W带辅助电源的LLC半桥
目前调试时PFC变压器有噪声,ICE1PCS01PFCIC
由于老大给个机会我画图,麻烦版主指点下
A15767..:
版主,我参照你消除尖峰的帖子走的线路,我认为回路应该为上图红白线标示。
对于你更改后的,我有疑问变压器5.6脚到3.4脚的安规距离够不
再次看贴,参照版主意见修改,请指导
LLC部分
以下是地线走线
开关电源PCB布板要领
1、关于间距问题
还是那句口号:
安全第一,任何情况下都是安全第一。
对于电源,安全就是安规,对于PCB,安全就是间距。
要谈开关电源PCB布线的要领,首当其冲的就是间距,但是有多少人真正领悟,值得怀疑。
我觉得,对于每个画PCB的人(搞电源的人)都应该追问自己一句:
你真正领悟了吗?
确信没看走眼?
很多人之前可能是搞数字电路、模拟电路过来的,那个布线走通就行,自动布线也是常见的。
这些人来搞开关电源,没有找到要领时,那是相当苦逼的。
比如这位兄弟,恁是搞不明白:
【MOS管栅源击穿的可能性原因及相应的处理办法】
要给他讲清楚,也很困难,现在把我的相关跟帖摘录于此:
通过你零零碎碎提供的信息,问题基本上暴露完了,可以找到问题的根源了。
1、要求得别人的帮助,一定要把问题描述清楚,提供的信息要足够,不能让想帮你的人去猜。
2、让想帮你的人把基本原理从头到尾都给你一个人讲一遍也是不礼貌的。
起码打字是要费力气的。
3、你的问题主要是布线间距不够,之前给了一个间距算式,每百V电压减半得到mm,
4、你给出一个局部的PCB,已经大量出现间距不够和严重不够的问题,还有尖端放电的,一定是要炸鸡的,无能幸免。
5、即使间距够了,GS过压保护措施还是要采取,防静电的(加电阻)、防冲击的(加钳位),防米勒的。
。
。
。
视情况而定。
6、你现在首先要做的,不是了解GS原理、不是去追究需不需要加R,而是了解电路基本原理、芯片基本原理,找到各个节点之间的电位差,然后按第3项提示办理。
建议先解决PCB间距问题,这个不能对付,其他问题都可能是这个问题引起的。
任何其他问题,都有可能是PCB布线间距不足引起的,在你没有排除这个基本BUG之前,谈论任何其他问题都是没有意义的。
有的人有点另类经验,多数是其他地方感冒的原因,但你现在不是感冒,而是已经中弹倒地,靠民间治疗感冒的偏方是救不了你的。
明白?
你中弹倒地,生命垂危之际,你呼吸不正常,一定不是肺病的原因,血压不正常,一定不是糖尿病的原因。
你把糖尿病的病历拿出来研究,是救不了你的。
U4下面不能走线,两边是高压,500V,2.5mm,还没有整明白?
U4是自举,两排引脚之间是高压,耐压600V,实际多少V要分析拓扑极端工况得出,一定不是你测试的200V。
光耦芯片,也是类似的问题。
两排引脚之间的间距,是用来抗高压的,中间不能走线,是规矩。
这些基本规矩都没有搞清楚,远不能谈论其他问题。
年轻不是问题,悟性多少要有点才行,人家一点就明白,你弄了几个星期又回到原地。
问题在于,你重新画板,也得知道哪里要保持多少间距才行,我感觉你还没有领悟,重新画也可能无济于事。
先领悟,读懂拓扑的含义。
Buck是最简单的拓扑,它只有4个节点,你要搞清这4个节点之间的电压关系。
具体电路中各种元件、任何其他节点,凡是与某个节点的电压差在25V以内的,都划归到这个节点,4个节点之间的间距由其之间的可能最高电压决定,这样你的PCB看上去就是4大块,有明确的划分。
4个节点,相互之间就有6个关系:
VAD=Vin_MAX
VAB=Vin_MAX+尖峰
VBD=Vin_MAX+尖峰
VBC=Vin_MAX+尖峰
VCD=Vout_MAX 注:
输出可能开路,这时电压是多少?
VAC=VAD-Vout_MIN 注:
输出可能短路,这时Vout=0
每个节点之间的电压都要心里有数,才能干好这活。
这不是什么高难的事,是基本功。
一个布线最紧张的Buck例子(球泡灯):
你现在要做的是,划分这4大块,拉开间距。
如果还有其他拓扑,比如有源软开关,也要找出关系,分成块块。
400V就应该保留2mm间距,此外还有一个基本间距(比如0.254mm),意思是(建议)25V内的电压可以算是一个电压等级,按基本间距布置。
以25V为准,25V以内算一块,不管啥芯片,啥拓扑。
即使25v以内,也不能在下面走线的有:
金属外壳的器件、比如金封的晶振、电解电容、变压器磁芯、金封的管子,金属端子暴露在外的器件(直插电阻、保险丝等),金属结构件(散热器、固定螺栓等)。
对于每个分块,可以在板上画(如上图白线一般的)分割线,分割线从敷铜中间穿过,不能切断任何敷铜,哪怕线用细点。
顶层、底层分别画,要形成闭合图形。
画完以后,把线加粗到比如2mm,把敷铜挤出去,就可以了。
这个分块和间距,不是在绘制PCB时才决定的,在画出电路图、理解拓扑含义的时候就应该分得清楚明白,感觉糊涂时,在电路图上也是可以事先勾勒出这些分块的,才开始绘制PCB。
2、关于PCB散热设计
以下摘自【60W12V5A效率〉92%无散热片低成本】的跟帖:
这个贴主题是较大功率小体积无散热片电源,最需要关注的就是效率和散热策略,也是本帖的看点、亮点。
一开始看见这个板,即感觉有些问题,为此跟了两楼,38楼说的是整机效率,62楼说的是低压电流应力,也就是热,算是关注点。
关于无散热片如何进行热设计,有些策略,需要注意,但楼主展示的效率颇高,这在很大程度上可以缓解热的问题。
于是,尽管感觉板上还有优化余地,但楼主没有讨论的意思,就没打算跟帖。
现在其他网友有兴趣,那就说说原本就想说的一点体会:
基本观念:
87楼:
从某种意义上说,开关电源的设计,更多的是热设计。
89楼:
追究到最后,就是温度了。
91楼:
如何降低温度:
1、提高效率,2、散热
这不是打太极,这是开关电源设计的精髓,但凡优秀的设计,这两方面是极其讲究的。
现在楼主效率没问题,就不谈效率,只谈散热,没散热片,就不谈散热器散热,只谈板上散热:
关于PCB布局与散热的关系,我之前没讲过(估计王总最近的专帖里应该有说,PCB布局走线经验交流
)。
关于这个问题我的主要观念是:
1、板上任意一个细节的PCB局部,如果向任何方向再挪动哪怕一点点都会丧失某种(间距、载流、散热、EMC)合理性,都不允许,那么,这个布局才是最合理的。
2、任何间距的敷铜,其中最小间距决定其安全距离,其他任何大于最小间距的间距都没有意义(都不会改善由于这个最小间距决定的安全距离问题)。
3、尽可能追求热景象的均衡性。
这是温度梯度问题、空间分布问题、热传递问题。
4、搞掉最高温升对象,总是合理的、总是必要的。
这些观念落实到这个板,就有以下可以进一步改进(散热)的地方:
1、硅桥、前后MOS这三个对象温升最高,这是对此板第一印象就预料中的、楼主没充分考虑的地方,也是需进一步优化的地方。
2、这个功率全电压,已经不适合用贴片硅桥了,它是最高温升,首先要搞掉。
建议用分离元件,尽可能分散、均衡、主要靠敷铜散热来布置。
3、原副边安规间距,以光耦焊盘间距为最小,其他地方应保持(没必要增加)这个间距,以便尽可能增加两只MOS散热面的敷铜面积以利散热。
这个增加尽可能是双面的,尽可能用过孔传递到两面散热。
这里需要注意的是顶层的敷铜,要考虑磁芯可能是导体并可能接地而涉及的安规距离问题。
还需注意过孔直径及密度,以不影响焊接工艺为度。
4、以上安规间距只是一个方向,在两只MOS散热面的其他3个方向上,也要尽可能(双面)增加敷铜散热面积,任何一点点增加敷铜散热面积的机会都不要放弃,任何一点点妨碍增加面积的因素都要追究能不能再挪一点?
要挪就挪到极限的意思。
5、挪的过程中,要考虑上述三个对象的温升情况,调整散热面积的相对大小,目的是热均衡,并根据总体温升情况确定其绝对大小(不行时增加PCB面积的意思,PCB板就是散热片的意思)。
6、挪的过程中,要考虑板上其他热源的热传递问题、散热通道问题,以及每个散热面的噪音影响(但不必过于纠结于此,散热是主要矛盾的意思)等问题。
PCB散热设计实例:
与楼主案例的热结构相似:
全电压50W,板面(硅桥、前后MOS)三个主要热对象,效率94+%,非隔离
散热面积已经挪到极限,每一毫米敷铜都利用完(除了间距就是敷铜):
手工焊的:
最低
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 两地 开关电源 PCB 要领