介绍开关电源PCB设计方案中的走线技巧

1、1 / 10介绍开关电源PCB设计中的走线技巧摘要： 文章主要是讨论和分析开关电源印制板布线原则、开关电源印制板 铜皮走线的一些事项、开关电源印制板大电流走线的处理以及反激电源反射电压 的一个确定因素等方面，解决铝基板在开关电源中的应用、多层印制板在开关电 源电路中的应用的一些大家关注的问题。关键字：开关电源，变压器，隔离式开关电源，PCB设计文章主要是讨论和分析开关电源印制板布线原则、开关电源印制板铜皮走线 的一些事项、开关电源印制板大电流走线的处理以及反激电源反射电压的一个确 定因素等方面，解决铝基板在开关电源中的应用、多层印制板在开关电源电路中 的应用的一些大家关注的问题。一、引言开关电

2、源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品。 因为开关三 极管总是工 作在 开”和 关”的状态，所以叫 开关电 源。开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源电 路，在其它的电路应用也很普遍，如液晶显示器的背光电路、日光灯等。开关电 源与变压器相比具有效率高、稳性好、体积小等优点，缺点是功率相对较小，而 且会对电路产生高频干扰，变压器反馈式振荡电路，能产生有规律的脉冲电流或 电压的电路 叫振荡 电路， 变压器反 馈式振荡电路 就是能满 足这种条件的 电路。来源:大比特半导体器件网开 关电 源分 为， 隔离 与非 隔离 两种 形式 ，在 这里

3、主要 谈一 谈隔 离 式 开 关 电 源的 拓扑形式，F5 =2 / 10在下文中，非特别说明，均指隔离电源。隔离电源按照结构形式不 同，可分为 两大类 ：正激 式和反激 式。反激式指 在变压器 原边导通时副 边截止， 变压器储能 。原边 截止时 ，副边导 通，能量释放 到 负载的 工作状 态，一 般 常规反 激式电源单 管多， 双管的 不常见。 正激式指在变 压器原边 导通同时副边 感应出对 应电压输出 到负载 ，能量 通过变压 器直接传递。 按规格又 可分为常规正 激，包括 单管正激， 双管正 激。半桥、 桥式电 路都属于正激电路。 来源:大比特 半导体器 件网 正激和反激 电路各 有其特

4、 点，在设 计电路的过程 中为达到 最优性价比， 可以 灵活运用。 一般在 小功率 场合可选 用反激式。稍 微大一些 可采用单管正 激电路， 中等功率可 采用双 管正激 电路或半 桥电路，低电 压时采用 推挽电路，与 半桥工作 状态相同。大功率输出，一般采用桥式电路，低压也可采用推挽电路。来源:大比特半导体器件网 反激式电源 因其结 构简单 ，省掉了 一个和变压器 体积大小 差不多的电感 ，而 在中小功率 电源中 得到广 泛的应用 。在有些介绍 中讲到反 激式电源功率 只能做到 几十瓦，输出功率超过100瓦就没有优势，实现起来有难度。本人认为一般情况 下是这样的，但也不能一概而论，PI公司的T

5、OP芯片就可做到300瓦，有文章 介绍反激电源可做到上千瓦，但没见过实物。输出功率大小与输出电压高低有 关。 来源:大比特半导体器件网 反激电源变 压器漏 感是一 个非常关 键的参数，由 于反激电 源需要变压器 储存能量，要 使变压器铁芯得到充分利用，一般都要在磁路中开气隙，其目的是改变 铁芯磁滞回 线的斜 率，使 变压器能 够承受大的脉 冲电流冲 击，而不至于 铁芯进入 饱和非线形状 态，磁路中气隙处于高磁阻状态，在磁路中产生漏磁远大于完全闭 合磁路。 来源:大比特半导体器件网 脉冲电压连 线尽可 能短， 其中输入 开关管到变压 器连线， 输出变压器到 整流 管连接线。 脉冲电 流环路 尽可

6、能小 如输入滤波电 容正到变 压器到开关管 返回电容 负。输出部分变压器出端到整流管到输出电感到输出电容返回变压器电路中X电 容要尽量接 近开关电源输入端，输入线应避免与其他电路平行，应避开。Y电容 应放 置在机壳接 地端子或FG连接端。 共摸电感应 与变压器保 持一定距离 ，以避 免磁偶合。 来源:大比特半导体器件网 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

7、，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。二、印制板布线的一些原则印制板设计 时，要 考虑到 干扰对系 统的影响，将 电路的模 拟部分和数字 部分 的电路严格 分开， 对核心 电路重点 防护，将系统 地线环绕 ，并布线尽可 能粗，电 源 增加 滤波电 路，采用DC-DC隔离 ，信号采 用光 电隔离 ，设计 隔离 电源 ，分析 容易产生干扰的部分（如时钟电路、通讯电路等和容易被干扰的部分（如模拟采样电路等，对这两种类型的电路分别采取措施。对于干扰元件采取抑制措施，对 敏感元件采 取隔离 和保护 措施，并 且将它们在空 间和电气 上拉开距离。 在板级设 计时，还要 注意元 器件放

8、 置要远离 印制板边沿，这对防护 空气放电是有 利的。来 源:大比特半导体器件网3 / 10线间距：随 着印制 线路板 制造工艺 的不断完善和 提高，一 般加工厂制造 出线 间距等于甚至小于0.1mm已经不存在什么问题，完全能够满足大多数应用场合。考 虑 到开 关电源 所 采 用的元 器件 及生产 工艺 ，一 般 双面 板 最小 线间 距 设为0.3mm， 单 面板 最 小 线 间 距 设 为0.5mm， 焊 盘 与 焊 盘 、 焊 盘 与 过 孔 或 过 孔 与 过 孔，最小 间距设为0.5mm，可避 免在焊接操作过 程中出 现“桥接”现象 。，这样 大多数制板 厂都能 够很轻 松满足生 产

9、要求，并可 以把成品 率控制得非常 高，亦可 实现合理 的布线密度及有一个较经济的成本。 来源:大比特半导体器件网最小线间距只适合信号控制电路和电压低于63V的低压电路，当线间电压大 于该值时一般可按照500V/1mm经验值取线间距。方法一：上 文提到 的线路 板开槽的 方法适用于一 些间距不 够的场合，顺 便提 一下，该法 也常用 来作为 保护放电 间隙，常见于 电视机显 象管尾板和电 源交流输 入处。该法在模块电源中得到了广泛的应用，在灌封的条件下可获得很好的效 果。 来源:大比特半导体器件网方法二：垫绝缘纸，可采用青壳纸、聚脂膜、聚四氟乙烯定向膜等绝缘材 料。一般通 用电源 用青壳 纸或

10、聚脂 膜垫在线路板 于金属机 壳间，这种材 料有机械 强度高，有 有一定抗潮湿的能力。聚四氟乙烯定向膜由于具有耐高温的特性在模块 电源 中 得 到 广泛 的 应用 。在 元 件 和 周围 导 体间 也可 垫 绝 缘 薄膜 来 提高 绝 缘 抗 电 性能。 来源:大比特半导体器件网铝 基板 由 其 本 身构 造 ，具 有以 下 特 点 ：导 热 性能 非常 优 良 、 单 面 缚 铜、 器件 只能放置在缚铜面、不能开电器连线孔所以不能按照单面板那样放置跳线。 来源:大比特半导体器件网 铝 基板 上一 般 都放 置 贴片 器件 ， 开 关 管， 输 出整 流管 通 过 基 板 把 热 量传 导出

11、去 ，热 阻 很 低 ，可 取 得较 高可 靠 性 。 变压 器 采用 平面 贴 片 结 构 ， 也 可通 过基 板 散 热 ， 其 温 升 比 常规 要 低 ， 同 样 规 格 变 压 器 采 用 铝 基 板 结 构 可 得 到 较 大 的 输 出 功 率。铝基板跳线可以采用搭桥的方式处理。铝基板电源一般由由两块印制板组 成 ， 另外 一块 板 放 置 控 制 电路 ， 两 块板 之 间 通 过 物 理 连 接 合 成 一 体 。 来 源:大比 特半导体器件网由于 铝 基 板 优 良 的 导 热性 ， 在 小 量 手 工 焊 接 时比 较 困 难 ， 焊 料冷 却 过快 ， 容易出现问题现有

12、一个简单实用的方法，将一个烫衣服的普通电熨斗(最好有调温功能,翻过来，熨 烫面向 上，固定 好，温 度调到150C左 右，把铝基板 放在熨斗 上 面 ， 加 温 一段时 间 ，然 后 按 照 常 规方 法 将 元件 贴 上 并 焊 接 ， 熨 斗 温度 以 器 件 易 于焊接为 宜，太高有可能时器件损坏，甚至铝基板铜皮剥离，温度太低焊接效果 不好，要灵活掌握。三、印制板铜皮走线的一些事项 走 线电 流 密 度 ：现 在 多数 电子 线 路 采 用绝 缘 板缚 铜构 成 。常 用线 路 板铜 皮 厚度为35ym，走线可按照1A/mm经验值取电流密度值，具体计算可参见教科书。4 / 10为保证走线

13、机械强度原则线宽应大于或等于0.3mm。铜皮厚度为70卩m线路板也常见于开关电源，那么电流密度可更高些。模 块电 源 行 列 也有 部 分产 品采 用 多 层 板 ， 主 要便 于 集 成 变 压 器 电 感 等功 率器件 ， 优 化 接 线 、功 率 管散 热等 。 具 有 工艺 美 观一 致性 好 ， 变 压 器 散 热好 的优 点 ， 但其缺点是成本较高，灵活性较差，仅适合于工业化大规模生产。来源:大比特半导体器件网单 面板 ， 市 场 流通 通 用开 关电 源 几 乎 都采 用 了单 面线 路 板 ， 其 具 有 低成 本的 优势，在设计，及生产工艺上采取一些措施亦可确保其性能。为 保

14、 证 良 好 的 焊接 机 械结 构性 能 ， 单 面板 焊 盘应 稍微 大 一 些 ， 以 确 保铜 皮 和基 板 的 良 好 缚 着力 ， 而不 至于 受 到 震 动时 铜 皮剥 离、 断 脱 。 一 般 焊 环宽 度应 大 于0.3mm。 焊 盘孔 直 径 应 略 大于 器 件 引 脚直 径 ，但 不宜 过 大 ， 保证 管 脚与 焊盘 间 由 焊锡连 接 距 离 最短 ， 盘孔 大小 以 不 妨 碍正 常 查件 为度 ， 焊 盘 孔 直 径 一般 大于 管 脚 直径0.1-0.2mm。多引脚器件为保证顺利查件，也可更大一些。来源:大比特半导体器件网单 面板 上 元 器 件应 紧 贴线

15、路板 。 需 要 架空 散 热的 器件 ， 要 在 器 件 与 线路 板之间 的管 脚 上 加 套管 ， 可起 到 支 撑 器 件和 增 加 绝缘 的 双 重 作 用， 要 最 大限 度 减 少 或避免外力 冲击对焊盘与管脚连接处造成的影响，增强焊接的牢固性。线路板上重量 较大 的 部 件 可增 加 支撑 连接 点 ， 可 加强 与 线路 板间 连 接 强 度 ， 如 变压 器， 功 率 器件散热器。 来源:大比特半导体器件网双 面板 焊 盘 由 于孔 已 作金 属化 处 理 强 度较 高 ，焊 环可 比 单 面 板 小 一 些， 焊盘 孔孔径可 比管脚直径略微大一些，因为在焊接过程中有利于焊

16、锡溶液通过焊孔渗 透到顶层焊盘，以增加焊接可靠性。四、大电流走线的处理线 宽可 按 照 前 帖处 理 ，如 宽度 不 够 ， 一般 可 采用 在走 线 上 镀 锡 增 加 厚度 进行 解决，其方法有好多种。 来源:大比特半导体器件网1.将走线设置成焊盘属性，这样在线路板制造时该走线不会被阻焊剂覆盖，热风整平时会被镀上锡。 来源:大比特半导体器件网2.在布线处放置焊盘，将该焊盘设置成需要走线的形状，要注意把焊盘孔设置为零。 来源:大比特半导体器件网3.在阻焊层放置线，此方法最灵活，但不是所有线路板生产商都会明白你的 意图，需用文字说明。在阻焊层放置线的部位会不涂阻焊剂5 / 10线路镀锡的几种方

17、法如上。一般可采用细长条镀锡宽度在11.5mm，长度可根 据线 路 来 确 定， 镀 锡部 分间 隔0.51mm双 面 线 路 板为 布 局 、 走 线提 供 了 很大 的 选择 性 ， 可 使布 线 更趋 于合 理 。 关 于接 地 ，功 率地 与 信 号 地 一 定 要分 开， 两 个 地可在滤波电容处汇合，以避免大脉冲电流通过 信号地连线而导致出现不稳定的 意外因素，信号控制回路尽量采用一点接地法。电 压反 馈 取 样 ，为 避 免大 电流 通 过 走 线的 影 响， 反馈 电 压 的 取 样 点 一定 要放 在电源输出最末梢，以提高整机负载效应指标。走线 从 一 个 布 线 层 变 到

18、另 外 一 个 布 线 层 一 般 用过 孔 连 通 ， 不 宜通 过 器件 管 脚 焊 盘实现 ，因为 在插装器 件时有 可能破 坏这种连 接关系 ，还有 在每1A电 流通 过时，至少应有2个过孔，过孔孔径原则要大于可靠性。 来源:大比特半导体器件网五、铝基板在开关电源中的应用和多层印制板在开关电源电路中的应用 铝基板（金属基散热 板（包含铝基板，铜 基板，铁 基板是一种独 特的金 属基 覆铜板，它 具有良 好的导 热性、电 气绝缘性能和 机械加工 性能。铝基覆 铜板是一 种金属线路 板材料 、由铜 箔、导热 绝缘层及金属 基板组成 ，它的结构分三层：来 源:大比特半导体器件网Cireuit

19、l. Layer线路层：相当于普通PCB的覆 铜板，线路铜箔厚度loz至10oz。 来源:大比特半导体器件网DielcctricLa yer绝 缘 层 ： 绝 缘 层 是 一 层 低 热 阻 导 热 绝缘 材 料 。 厚 度 为 ：0.003“至0.006”英寸是铝基覆铜板的核心技术所在，已获得UL认证。BaseLayer基 层 是 金属基 板， 一般 是铝 或可 所选 择铜 。铝 基覆 铜板 和传 统的 环氧玻璃布层压板等，目前市场上主流的是福斯莱特铝基板。电路层（即铜箔通常 经过 蚀刻形成印刷电 路，使 组件的各个部件 相互连 接， 一般情况下 ，电路 层要求 具有很大 的载流能力， 从而

20、应使 用较厚的铜箔 ，厚度一 般35卩m28m。导热绝缘层是铝基板核心技术之所在，它一般是由特种陶瓷填 充的特殊的 聚合物 构成， 热阻小， 粘弹性能优良 ，具有抗 热老化的能力 ，能够承 受机械及热应力。 该公司生产的高性能铝基板的导热绝缘层正是使用了此种技 术， 使其具有极为优良的 导热性能和高强度的电 气绝缘性能。 金属基层 是铝基板 的支撑构件，要求具有高导热性，一般是铝板，也可使用铜板（其中铜板能够提供更好的导热性， 适合于钻孔、冲剪及切割等常规机械加工。 来源:大比特半导体 器件网 铝基板由其本身构造，具 有以下特点：导热性能 非常优良、单面缚铜、 器件 只能放置在缚铜面、不能开电

21、器连线孔所以不能按照单面板那样放置跳线。来源:大比特半导体器件网 铝 基板上一 般都放置贴片 器件， 开关管， 输出整 流管通过基板把热量传 导出 去， 热阻很低， 可取得较 高可靠性。 变压器采用 平面贴片结构， 也可通 过基板散 热， 其温 升比常规要低， 同样规格变压器采用铝0.5mm，一般0.8mm可确保加工6 / 10基板结构可得到较大的输出功 率。 铝基板跳线可以采用搭桥的方式处理。 铝基板电源一般由由 两块印制板组 成， 另外一块板放 置控制电路， 两块板之间通过物理连接合成一体。 来源:大比 特半导体器件网由 于铝 基 板 优 良的 导 热性 ，在 小 量 手 工焊 接 时比

22、较困 难 ， 焊 料 冷 却 过快 ，容易出现问题现有一个简单实用的方法，将一个烫衣服的普通电熨斗(最好有调温功能,翻过来，熨 烫面向 上，固定 好，温 度调到150C左 右，把铝基 板放在 熨斗 上 面， 加 温 一 段时 间 ，然 后按 照 常 规 方法 将 元件 贴上 并 焊 接 ， 熨 斗 温度 以器 件 易 于焊接为 宜，太高有可能时器件损坏，甚至铝基板铜皮剥离，温度太低焊接效果不好，要灵活掌握。最 近几 年 ， 随 着多 层 线路 板 在 开 关 电 源电 路 中应 用， 使 得 印 制 线 路 变压 器成 为 可能 ， 由 于 多层 板 ，层 间距 较 小 ， 也可 以 充分 利

23、用 变 压 器 窗 口 截 面， 可在 主 线 路板上再 加一到两片由多层板组成的印制线圈达到利用窗口，降低线路电流密度的 目的 ， 由 于 采用 印 制线 圈， 减 少 了 人工 干 预， 变压 器 一 致 性 好 ， 平面 结构 ， 漏 感低，偶合 好。开启式磁芯，良好的散热条件。由于其具有诸多的优势，有利于大 批 量 生 产 ， 所 以 得 到 广 泛 的 应 用 。 但 研 制 开 发 初 期 投 入 较 大 ， 不 适 合 小 规模 生。 来源:大比特半导体器件网开 关电 源 分 为 ， 隔 离 与非 隔离 两 种 形 式， 在 这里 主要 谈 一 谈 隔 离 式 开关 电源 的 拓

24、扑 形 式 ， 在下 文 中， 非特 别 说 明 ， 均 指 隔离 电源 。 隔 离 电 源 按 照结 构形 式 不 同，可分 为两大类：正激式和反激式。反激式指在变压器原边导通时副边截止，变 压器 储 能 。 原边 截 止时 ， 副 边 导 通 ， 能 量 释放 到 负 载 的 工 作 状 态 ，一 般常 规 反激式电源单管 多，双管的不常见。正激式指在变压器原边导通同时副边感应出对应 电压 输 出 到 负载 ， 能量 通过 变 压 器 直接 传 递。 按规 格 又 可 分 为 常 规正 激， 包 括 单管 正激 ， 双 管 正 激 。 半 桥、 桥 式 电 路 都 属 于 正 激 电 路

25、。 来源:大 比 特 半导 体 器 件网正激 和 反 激 电 路 各 有 其特 点 ， 在 设 计 电 路 的 过程 中 为 达 到 最 优性 价 比， 可 以灵 活 运 用 。 一般 在 小 功率 场 合 可 选 用反 激 式 。稍 微 大 一 些 可 采用 单 管正 激 电 路 ，中等功 率可采用双管正激电路或半桥电路，低电压时采用推挽电路，与半桥工作 状态相同。大功率输出，一般采用桥式电路，低压也可采用推挽电路。来源:大比特半导体器件网反激 式 电 源 因 其 结 构 简单 ， 省 掉 了 一 个 和 变 压器 体 积 大 小 差 不多 的 电感 ， 而在 中 小 功 率 电源 中 得

26、到广 泛 的 应 用 。在 有 些 介绍 中 讲 到 反 激 式电 源 功率 只 能 做 到几十瓦， 输出功率超过100瓦就没有优势，实现起来有难度。本人认为一般情况 下是这样的，但也不能一概而论，PI公司的TOP芯片就可做到300瓦，有文章7 / 10介 绍 反 激 电 源 可 做 到 上 千 瓦 ， 但 没 见 过 实 物 。 输 出功 率 大 小 与 输 出 电 压 高 低有 关。 来源:大比特半导体器件网反激电源变 压器漏 感是一 个非常关 键的参数，由 于反激电 源需要变压器 储存 能量，要 使变压器铁芯得到充分利用，一般都要在磁路中开气隙，其目的是改变 铁芯磁滞回 线的斜 率，使

27、变压器能 够承受大的脉 冲电流冲 击，而不至于 铁芯进入 饱和非线形状 态，磁路中气隙处于高磁阻状态，在磁路中产生漏磁远大于完全闭 合磁路。 来源:大比特半导体器件网 变压器初次 极间的 偶合， 也是确定 漏感的关键因 素，要尽 量使初次极线 圈靠 近，可采用 三明治 绕法， 但这样会 使变压器分布 电容增大 。选用铁芯尽 量用窗口 比较长的磁芯，可减小漏感，如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。 来源:大比特半导体器件网 关于反激电源的占空比，原则上军用电源的最大占空比应该小于0.5，否则环路不容易补偿，有可能不稳定，但有一些例外，如美国PI公司推出的TOP系 列芯片是可以工

28、作在占空比大于0.5的条件下。 占空比由变压器原副边匝数比确 定，本人对做反激的看法是，先确定反射电压(输出电压通过变压器耦合反映到原 边的电压值，在一 定电 压范围内反射电压提高 则 工作占空 比增大， 开关管损耗 降低。 来源:大比特半导体器件网 接着谈关于 反激电 源的占 空比(本人关注反射电 压，与 占空比一 致，占 空比 还与选择开 关管的 耐压有 关，有一 些早期的反激 电源使用 比较低耐压开 关管，如600V或650V作为交流220V输入电源的开关管，也许与当时生产工艺有关，高 耐压管子， 不易制 造，或 者低耐压 管子有更合理 的导通损 耗及开关特性 ，像这种 线路反射电压不能

29、太高，否则为使 开关管工作在安全范围内，吸收电路损耗的功 率也是相当可观的。现在 由于MOS管制造工艺水平的提高，一般反激电源都采 用700V或750V甚至800-900V的开关管。这两种类型各有优缺点：来源:大比特半导体器件网第一类：缺 点抗过 压能力 弱，占空 比小，变压器 初级脉冲 电流大。优点 ：变 压器漏感小 ，电磁 辐射低 ，纹波指 标高，开关管 损耗小， 转换效率不一 定比第二 类低。 来源:大比特半导体器件网 第二类：缺 点开关 管损耗 大一些， 变压器漏感大 一些，纹 波差一些。优 点： 抗过压能力强一些，占空比大，变压器损耗低一些，效率高一些。六、反激电源反射电压还有一个确

30、定因素军用开关电源的反射电压 还与一个参数有关，那 就是输出电压，输出电 压越 低则变压器匝数比越大， 变压器漏感越大，开关 管承受电压越高，有可 能击穿开 关管、吸收电 路消耗功率越大，有可能使吸收回路功率器件永久失效。在设计低 压输出小功率反激电源的优化过程中必须小心处理，其处理方法有几个： 来源:大比特半导体器件网1、采用大一个功率等级的磁芯降低漏感，这样可提高低压反激电源的转换 效率，降低损耗，减小输 出纹波，提高多路输出电源的交差调整率，一 般常见于 家电用开关电源，如光碟机、DVB机顶盒等。2、如果条件不允许加大磁芯，只能降低反射电压，减小占空比。降低反射 电压可减小漏感但 有可能

31、使电源8 / 10转换效率降低，这两者是一个矛盾，必须要有一 个替代过程 才能找 到一个 合适的点 ，在变压器替 代实验过 程中，可以检 测变压器 原边的反峰电压，尽量 降低反峰电压脉冲的宽度，和幅度，可增加变换器的工作 安全裕度。一般反射电压在110V时比较合适。3、增强耦合，降低损耗，采用新的技术，和绕线工艺，变压器为满足安全 规范会在原边和副 边间采取绝缘措施，如垫绝缘胶带、加绝缘端空胶带。这些将 影响变压器 漏感性 能，现 实生产中 可采用初级绕 组包绕次 级的绕法。或 者次级用 三重绝缘线绕制，取消 初次级间的绝缘物，可以增强耦合，甚至可采用宽铜皮绕 制。来源:大比特半导体器件网反激电源变 压器磁 芯在工 作在