開關電源PCB設計心得

首先描述開關電源的設計和生產過程，然后再商量印刷電路板的設計。開關電源工作在高頻和高脈沖狀態，在模擬電路中屬于特別類別。鋪設電路板時，必須遵循高頻電路布線的原則。
布局：脈沖電壓連接完可能短，其中輸入開關連接到變壓器，輸出變壓器連接到整流器。脈沖電流環路應完可能小，例如輸入濾波電容對變壓器的正極為至開關返回電容的負極。在輸出部分，變壓器的輸出端子到整流管，再到輸出電感器，再到輸出電容器，返回到變壓器電路。 X電容器應完可能靠近開關電源的輸入端子。輸入線應幸免和其他電路并聯，應幸免。 Y電容器應放置在機箱接地端子或FG連接端子上。一般的電感應和變壓器保持肯定距離，以幸免磁耦合。如果難以處理，可以在公共電感器和變壓器之間添加屏蔽層。以上各項對開關電源的EMC性能有較大影響。

通常，可以在整流器附近使用兩個輸出電容器，另一個應該在輸出端子附近使用，這會影響電源的輸出紋波指數。兩個小容量電容器的并聯效果應優于大容量電容器。加熱裝置必須和電解電容器保持肯定距離，以延長整個機器的使用壽命。電解電容器是開關電源壽命的瓶頸。例如，變壓器，功率管，大功率電阻器必須遠離電解，并且電解之間必須有散熱空間。 ，條件同意將其放置在進氣口中。
操縱部分應注意：高阻抗弱信號電路的連接應完可能短，例如采樣反饋環路，并且在處理過程中應完可能幸免。電流采樣信號電路，非常是電流操縱電路，不易處理。有一些技巧?，F在以3843電路為例。見圖（1）。圖1的效果優于圖2的效果。圖2清楚地顯示了在滿載情況下用示波器觀看到的電流波形上疊加的尖峰。在低端，圖1中沒有這種現象，并且有一個開關管驅動信號電路。開關管的驅動電阻應靠近開關管，以提高開關管的工作可靠性。這和功率MOSFET的高DC阻抗電壓驅動特性有關。
開關電源PCB設計經驗
讓我們談談印刷布線的一些原理。
線距：隨著印刷電路板制造工藝的不斷改進和完善，一般加工廠不再需要制造等于或小于0.1mm的線距，這可以完全滿足大多數應用的要求?？紤]到開關電源中使用的組件和生產工藝，一般雙面板的小行距設置為0.3mm，單面板的小行距設置為0.5mm，焊盤和焊盤，焊盤以及通孔，或通孔和通孔的小間距設置為0.5mm，以幸免在焊接操作過程中出現“橋接”現象。這樣，大多數電路板制造商可以輕松滿足生產要求，并且可以將良率操縱在很高的水平，并且還可以實現合理的布線密度并具有更經濟的成本。
小行間距僅適用于電壓低于63V的信號操縱電路和低壓電路。當線間電壓大于該值時，線間距通?？梢愿鶕?00V / 1mm的經驗值得出。

鑒于一些相關標準對行距有更明確的規定，因此必須嚴格按照這些標準執行，例如從AC入口端到保險絲端的連接。某些電源具有較高的體積要求，例如模塊電源。通常，變壓器輸入側的線距為1mm，實踐證明是可行的。對于交流輸入和（隔離）直流輸出電源產品，更嚴格的規定是安全距離應大于或等于6mm。當然，這取決于相關的標準和實施方法。通用安全距離可以用作反饋完耦合器兩側之間的距離的參考，其原理是大于或等于該距離。也可以將其縫在完耦合器下方的印刷板上，以增加爬電距離，以滿足絕緣要求。在一般開關電源中，輸入側走線或板上組件和非絕緣外殼和散熱器之間的距離應大于5mm，輸出側走線或組件和外殼或熱量之間的距離應大于2mm。下沉或嚴格遵守安全規定。
常用方法：上述電路板開槽方法適用于間距不夠的場合。順便提及，該方法也通常用作愛護性放電間隙。通常用于電視顯像管的后端和電源的交流輸入。 。該方法已廣泛應用于模塊電源中，在灌封條件下可以獲得很好的效果。
方法二：墊絕緣紙，可以使用綠色外殼紙，聚酯薄膜，聚四氟乙烯取向薄膜等絕緣材料。常規電源在電路板和金屬機箱之間使用綠色外殼紙或聚酯薄膜。這種材料具有很高的機械強度，并具有肯定的耐濕性。 PTFE定向薄膜由于其耐高溫性而廣泛用于模塊電源中。絕緣膜也可以放置在元件和四周的導體之間，以改善絕緣性和電阻。
注意：某些設備的絕緣涂層不能用作減小安全距離的絕緣介質，例如電解電容器的外殼，在高溫條件下，外殼可能會因熱而收縮。大型電解防爆箱的前端應留有空間，以確保在特別情況下電解電容器可以釋放不受阻礙的壓力。
印制板銅皮接線的一些事項：
跡線電流密度：現在，大多數電子電路都由帶有絕緣板的銅制成。常用電路板銅的厚度為35μm，可根據接線的1A / mm的經驗值得出電流密度值。有關具體計算，請參閱教科書。為了確保布線的機械強度，線寬應大于或等于0.3mm（其他非電源電路板的線寬可能較?。?。銅制厚度為70μm的電路板在開關電源中也很常見，因此電流密度會更高。
再加上一點，常用的電路板設計工具軟件一般都有設計規范，例如線寬，線間距，干板過孔尺寸等參數可以設置。在設計電路板時，可以根據規范自動執行設計軟件，可以節約大量時間，減少部分工作量，降低錯誤率。

通常，雙面板可以以高可靠性和高密度用于電路或布線。它具有成本適中，可靠性高的特點，可以滿足大多數應用的需求。
模塊功率等級也有一些使用多層板的產品，主要方便集成功率器件，例如變壓器電感，優化布線，功率管冷卻等。它具有美觀，工藝一致，散熱良好的優點。耗散變壓器，但其缺點是成本較高，靈敏性較差，僅適用于工業化大規模生產。
單面板，市場上的通用開關電源幾乎都使用單面電路板，具有成本低廉的優勢，設計和生產過程中的一些措施也可以確保其性能。
單面印制板設計的一些經驗。由于單面板具有低成本和易于制造的特性，因此被廣泛用于開關電源電路中。因為設備的電氣連接只有一側和銅相連，所以機械固定必須依靠該層。銅皮必須注意處理。
為了確保良好的焊接機械結構性能，單面焊墊應稍大一些，以確保銅皮和基底之間的良好結合力，以免在振動時剝落和剝落銅皮。通常，焊環的寬度應大于0.3mm。墊孔的直徑應略大于設備引腳的直徑，但不應太大。確保引腳和焊盤之間的連接距離短。板孔的大小不應阻礙正常檢查。墊孔的直徑通常大于銷釘的直徑。直徑為0.1-0.2mm。多針設備也可以更大，以確保順利進行檢查。
電氣連接應完可能寬。原則上，寬度應大于墊的直徑。在特別情況下，必須在連接線和焊盤的交點處加寬線（通常稱為淚滴的產生），以幸免在某些情況下破壞線和焊盤。原則上，小線寬應大于0.5mm。
單個面板上的組件應靠近電路板。對于需要架空散熱的設備，在設備和電路板之間的引腳上增加一個套管，這可以起到支撐設備和增加絕緣的雙重作用。必須小化或幸免對焊盤和引腳之間的連接產生外部影響。由此產生的影響會增強焊接的牢固性。電路板上較重的組件可以增加支撐連接點，從而可以增強和電路板的連接強度，例如變壓器和功率設備散熱器。
單面板焊接表面銷可以保持更長的時間，而不會影響到外殼的距離。優點是可以增加焊接部位的強度，增加焊接面積，可以馬上發覺虛焊現象。當銷釘的腿長時，焊接部分的應力較小。在臺灣和日本，將器件的引線在焊接表面上彎曲以和電路板形成45度角然后進行焊接的過程是相同的。今天，我將商量雙面板設計中的一些問題。在某些要求較高或布線密度較高的應用環境中，將使用雙面印刷板。它的性能和各種指標要比單個面板好得多。
雙面焊盤由于有孔而具有較高的金屬化強度，并且焊環可以比單面板小。焊盤孔的直徑可以略大于銷的直徑，因為在焊接過程中使焊料溶液穿過焊料孔穿透頂層是有利的。墊增加焊接可靠性。但是，有一個缺點。如果孔太大，則在波峰焊期間某些設備可能會在噴射錫的作用下漂蕩，從而導致一些缺陷。
處理大電流跡線時，線寬可根據從前的帖子進行處理。如果寬度不夠，通?？梢酝ㄟ^在跡線中添加錫以增加厚度來解決。有很多方法。
1.將走線設置為pad屬性，以使走線在制造電路板時不會被阻焊劑覆蓋，而在熱空氣平坦時將被鍍錫。
2.將焊盤放在布線上，將焊盤設置為需要布線的形狀，并注意將焊盤孔設置為零。
3.這種方法是將電線放在阻焊層上靈敏的方法，但是并非全部電路板制造商都會理解您的意圖，需要使用文字進行解釋。沒有將阻焊劑應用于導線放置在阻焊劑層上的部分。
鍍錫的幾種方法如上所述。需要注意的是，如果對全部的寬走線進行鍍錫處理，則在焊接后會粘結大量的焊料，并且分布特別不均勻，從而影響外觀。鍍錫條的寬度一般為1?1.5mm，長度可根據電路確定。鍍錫零件之間的距離為0.5?1mm。雙面電路板為布局和布線提供了極大的選擇性，可以使布線更趨于合理。關于接地，電源接地和信號接地必須分開?？梢栽跒V波電容器處合并這兩個接地，以幸免由于大脈沖電流流經信號接地而引起的意外不穩定因素。信號操縱回路完可能使用單點接地方法。有一個技巧可以嘗試將非接地走線放置在同一布線層上，后將接地線放置在另一層上。輸出線通常首先通過濾波電容器，然后再通過負載。輸入線還必須先穿過電容器，然后再穿過變壓器。理論基礎是讓紋波電流通過旅游濾波電容器。
電壓反饋采樣。為了幸免流經布線的大電流的影響，反饋電壓的采樣點必須放置在功率輸出的末端，以提高整個機器的負載效果指標。
從一個布線層到另一個布線層的布線通常通過通孔連接，因此不適合通過器件引腳焊盤實現，因為在插入器件時以及每次1A電流時可能破壞這種連接關系通過時，至少應有兩個通孔，通孔直徑的原理應大于0.5mm，一般為0.8mm，以確保加工的可靠性。
設備散熱。在某些低功率電源中，電路板的布線也可以用作散熱功能。其特點是接線應完可能寬以增加散熱面積。沒有應用阻焊劑?？梢栽谔岣邔崧实臈l件下均勻放置通孔。 。
基板在開關電源中的應用以及多層印刷板在開關電源電路中的應用。
鋁基板由其自身構造而成，具有以下特性：優異的導熱性，單面銅結合，該裝置只能放置在銅結合面上，并且無法打開電連接孔，因此不能放置跳線作為一個面板。
SMD設備，開關管和輸出整流管通常放置在鋁基板上，以通過基板傳導熱量。熱阻特別低，并且可以實現高可靠性。該變壓器采納平面貼片結構，該貼片結構還可以通過基板散發熱量，并且其溫升低于傳統的。相同規格的變壓器采納鋁基板結構以獲得更大的輸出功率。鋁基板上的跳線可以通過橋接進行處理。鋁基板的電源通常由兩塊印刷板組成，另一塊板放置有操縱電路，兩塊板通過物理連接集成在一起。
由于鋁基板的優異的導熱性，因此在少量的手工中焊接變得更加困難，焊料冷卻得太快，并且簡單出現問題。有一種簡單有用的方法將一般熨斗用于熨燙衣服（好具有溫度調節功能）。將其翻轉過來，面朝上熨燙，固定，將溫度調節至約150℃，將鋁基板放在熨斗上，加熱一段時間，然后按照常規方法將組件粘貼并焊接，溫度如果設備溫度過高，則可能損壞設備，甚至剝落鋁基板的銅皮。如果溫度太低，則焊接效果不好。
近年來，隨著多層電路板在開關電源電路中的應用，印刷電路變壓器已成為可能。由于采納多層板，因此層間距很小，并且變壓器窗口的橫截面也可以得到充分利用。增加一個或兩個由多層板組成的印刷線圈，以達到使用窗戶并降低線電流密度的目的。由于使用印刷線圈，減少了人工干預，變壓器具有良好的一致性，扁平的結構，低的漏感和良好的耦合。敞開的磁芯，良好的散熱條件。由于其許多優點，有利于批量生產，因此被廣泛使用。但是，研究開發的初期投資比較大，不適合小學生。
開關電源分為兩種形式：隔離型和非隔離型。在這里，我們主要商量隔離式開關電源的拓撲。在下文中，除非另有說明，否則是指隔離電源。隔離式電源根據結構可分為兩類：正向型和反激型。反激是指當變壓器的初級側打開時，次級側閉合，并且變壓器存儲能量。當初級側斷開時，次級側打開，并且能量釋放到負載的工作狀態。通常，常規反激電源有很多單管，而雙管并不常見。正向模式意味著變壓器的初級側打開，而次級側感應相應的電壓以輸出到負載，并且能量直接通過變壓器傳遞。根據規格，可以分為傳統的正激激勵，包含單管正激激勵和雙管正激激勵。半橋和橋電路均為正電路。
正向和反激電路具有自己的特性。在設計電路的過程中，為了獲得佳的性價比，可以靈敏地使用它。通常，反激式可用于低功率場合。稍大的可以使用單管正向電路，中功率可以使用雙管正向電路或半橋電路，低壓推挽電路，和半橋工作狀態相同。對于高功率輸出，通常使用橋式電路，而推挽電路也可用于低電壓。
由于其簡單的結構，反激式電源節約了大約相當于變壓器大小的電感器，并廣泛用于中小型電源。在一些介紹中，據說反激式電源的功率只能是幾十瓦，而超過100瓦的輸出功率則沒有優勢，這很難實現。我認為通常是這樣，但不能一概而論。 PI的TOP芯片可達到300瓦。一篇文章描述了反激式電源可以達到數千瓦，但是我還沒有看到真實的東西。輸出功率和輸出電壓有關。
反激式電源變壓器的漏感是一個特別關鍵的參數。由于反激式電源要求變壓器存儲能量，以充分利用變壓器鐵芯，因此通常需要在磁路中打開一個氣隙，目的是改變鐵心的磁滯現象。同意變壓器承受大的脈沖電流，而鐵芯不會進入飽和非線性狀態，磁路中的氣隙處于高磁阻狀態，磁路中的磁通泄漏遠大于完全閉合磁路。
變壓器初級極之間的耦合也是確定漏感的關鍵因素。初級極線圈應完可能靠近，并且可以使用三明治繞組法，但這會增加變壓器的分布電容。完量使用鐵芯和窗口較長的磁芯，以減少漏感。例如，EE，EF，EER和PQ型磁芯優于EI型。
關于反激式電源的占空比，原則上反激式電源的大占空比應小于0.5，否則環路不易補償且可能不穩定，但有一些例外，例如由美國PI公司推出的TOP系列芯片。它可以在占空比大于0.5的條件下工作。占空比由變壓器一次側和二次側的匝數比確定。我對反激的觀點是，首先確定反射電壓（輸出電壓由變壓器耦合到初級側的電壓值反射）。如果反射電壓在肯定電壓范圍內增加，則工作占空比增加，并且開關管損耗減小。隨著反射電壓的減小，占空比減小，并且開關管損耗增大。當然，這也是前提。當占空比增加時，這意味著輸出二極管的導通時間縮短。為了保持輸出穩定，將使用輸出電容器放電電流以確保輸出電容器可以承受更大的頻率。紋波電流被腐蝕，從而加劇了熱量的產生，這在許多情況下是不同意的。增加占空比，改變變壓器匝數比將增加變壓器的漏感，并改變其整體性能。當漏感能量大到肯定程度時，就可以完全抵消開關管大占空比引起的低損耗。不再有增加占空比的感覺，并且甚至可能因漏反向峰值電壓太高而使開關管損壞。由于漏感較大，輸出紋波和其他一些電磁指標可能會變差。當占空比較小時，開關管的有效電流較高，變壓器一次電流的有效值較大，降低了轉換器的效率，但可以改善輸出電容器的工作條件并減少熱量。

如何確定變壓器的反射電壓（即占空比）
占空比也和所選開關管的耐壓有關。一些早期的反激式電源使用相對較低的耐壓開關管，例如600V或650V作為AC 220V輸入電源的開關管，這可能和當時的生產過程有關。壓力管不簡單制造，或者低耐壓管具有更合理的傳導損耗和開關特性。該線的反射電壓不能太高，否則電路汲取的功率也很大，以使開關管在安全范圍內工作。令人印象深刻。實踐證明，600V燈管的反射電壓不應大于100V，而650V燈管的反射電壓不應大于120V。當漏電感峰值電壓值鉗位在50V時，管的工作裕度仍為50V?，F在由于MOS管制造工藝水平的提高，一般的反激電源使用700V或750V甚至800-900V開關管。像該電路一樣，抗過電壓的能力也更強。開關變壓器的反射電壓也可以更高。大反射電壓更適合在150V時使用，這樣可以獲得更好的整體性能。建議PI的TOP芯片使用135V的瞬態電壓抑制二極管鉗位。但是，其評估板的反射電壓通常在110V左右低于該值。兩種類型都有優點和缺點：
類：缺點，對過電壓的抵抗力弱，占空比小，變壓器初級脈沖電流高。優點：變壓器的漏感小，電磁輻射小，波紋指數高，開關管損耗小，轉換效率未必低于第二類。
第二類：缺點，開關管損耗較大，變壓器漏感較大，紋波較差。優點：更強的抗過電壓能力，更大的占空比，更低的變壓器損耗和更高的效率。
反激電源反射電壓還有另一個確定因素
反激電源的反射電壓也和參數（即輸出電壓）有關。輸出電壓越低，變壓器的匝數比越高，變壓器的漏感越大，并且開關管的耐壓也越高。它可能會穿過開關管并汲取能量。電路的功耗越大，可能會使汲取電路的功率器件永久失效（特別是使用瞬態電壓抑制二極管的電路）。在設計低壓輸出低功率反激式電源的優化過程中必須注意。有幾種處理方法：
1.使用更大功率的磁芯可減少漏感，從而可提高低壓反激電源的轉換效率，減少損耗，減少輸出紋波，并提高多輸出電源的交叉調節率。通常用于家用電器電源開關，例如CD播放器，DVB機頂盒等。
2.如果條件不同意增加磁芯，則只能降低反射電壓并可以減小占空比。降低反射電壓可以減少漏感，但可能會降低功率轉換效率。兩者是矛盾的。必須有一個替換過程才能尋到合適的點。在更換變壓器的實驗過程中，可以檢測出變壓器的原邊。反向峰值電壓，完可能減小反向峰值電壓脈沖的寬度和幅度，以增加轉換器的工作安全裕度。通常，反射電壓更適合110V。
3.為增強耦合并減少損耗，采納新技術和繞線工藝。為了符合安全規定，變壓器將在初級側和次級側之間采取絕緣措施，例如墊絕緣帶和絕緣端帶。這些將影響變壓器的漏感性能。在實際生產中，初級繞組可以用來包裹次級繞組?；蛴萌龑咏^緣線纏繞次級，去除了初級和次級之間的絕緣，可以增強耦合，甚至可以用寬銅皮纏繞。
本文中的低壓輸出是指小于或等于5V的輸出。像這種低功率電源一樣，我的經驗是大于20W的功率輸出可以在正向模式下使用以獲得佳性價比，當然，這不是絕對的，個人習慣和應用環境有關。
反激式電源變壓器磁芯工作在單向磁化狀態，因此磁路需要打開氣隙，類似于脈動直流電感器。磁路的一部分通過氣隙耦合。為什么我要理解打開氣隙的原理：由于功率鐵氧體也具有近似矩形的工作特性曲線（磁滯回線），因此，工作特性曲線上的Y軸表示磁感應強度（B），并且電流產生一般情況下，飽和點在400mT以上。通常，在設計中該值應為200-300mT。 X軸表示磁場強度（H）。該值和勵磁電流強度成正比。打開磁路的氣隙等效于將磁滯回線朝X軸傾斜。在相同的磁感應強度下，它可以承受更大的磁化電流，這相當于在磁芯中存儲更多的能量。該能量在開關管處被切斷。當變壓器次級繞組放電到負載電路中時，反激式電源鐵心的氣隙具有兩種功能。一種是傳遞更多的能量，另一種是預防磁芯進入飽和狀態。
飛行電源變壓器在單向磁化狀態下工作，不僅通過磁耦合傳遞能量，而且還承擔著電壓轉換輸入和輸出隔離的多種作用。因此，需要特別注意地處理氣隙。如果氣隙太大，漏感會增加，磁滯損耗會增加，鐵損和銅損也會增加，這會影響電源的整體性能。氣隙太小可能會使變壓器鐵芯飽和，并損壞電源。
反激電源的所謂連續和間歇模式是指變壓器的工作狀態。在滿載狀態下，變壓器以完全能量傳輸或不完全傳輸的模式工作。它通常根據工作環境進行設計。傳統的反激式電源應工作在連續模式下，以使開關和線路的損耗相對較小，并且可以降低輸入和輸出電容器的工作壓力，但是也有一些例外。這里應該指出：因為反激式電源的特性也更適合設計為高壓電源，并且高壓電源變壓器通常以間歇模式工作，所以我了解到高壓電源需要使用高壓整流二極管。由于制造工藝的特性，高反向電壓二極管的反向恢復時間長且速度低。在電流的連續狀態下，當存在正向偏置時，二極管恢復。反向恢復過程中的能量損失特別大，不利于轉換器的性能改善。轉換效率略有降低，整流管嚴峻發熱，甚至燒毀了整流管。由于在不連續模式下，二極管反向偏置為零偏置，因此可以將損耗降低到相對較低的水平。因此，高壓電源在不連續模式下工作，并且工作頻率不能太高。還有一種在臨界狀態下工作的反激式電源。通常，這種電源在FM模式或FM雙模式下工作。一些低成本的自激電源（RCC）通常使用這種形式。為確保輸出穩定，變壓器的工作頻率隨輸出電流或輸入電壓而變化。接近滿負荷時，變壓器始終保持連續和間斷狀態。此電源僅適用于小功率輸出，否則電磁兼容性特性的處理將令人頭疼。
反激式開關電源變壓器應工作在連續模式下，這需要相對較大的繞組電感，當然，連續也具有肯定程度，過度追求絕對連續是不現實的，可能需要較大的磁芯，特別多的線圈數匝數大，漏電感大和分布電容大可能不值得。那么如何確定這個參數呢？通過對同級設計的反復實踐和分析，我信任，當輸入標稱電壓時，輸出將是變壓器從間歇性的50？60？f過渡到連續狀態更為合適?；蛘咴诟咻斎腚妷籂顟B下，當輸出滿載時，變壓器可以過渡到連續狀態。

上海耐源電子科技有限公司是一家專業從事AC-DC系列開關電源設計，開發和生產的高新技術企業。公司專業生產LED電源，LED驅動電源，開關電源，LED變壓器，Led驅動，Led開關電源，產品主要應用于：廣告燈箱，亮化工程，室內照明，顯示屏，景觀亮化，監控設備，雕刻機，打印機等工控電源，廣泛應用于LED照明，監控，通訊等領域。本公司承接OEM加工，可根據客戶要求打樣定制。AAAAVSGREHTRY45