布出一個(gè)精良PCB板是開關(guān)電源的難點(diǎn)

導(dǎo)讀：說起開關(guān)電源的難點(diǎn)問題，PCB布板問題不算很大難點(diǎn)，但若是要布出一個(gè)精良PCB板一定是開關(guān)電源的難點(diǎn)之一（PCB設(shè)計(jì)不好，可能會導(dǎo)致無論怎么調(diào)試參數(shù)都調(diào)試布出來的情況，這么說并非危言聳聽）原因是PCB布板時(shí)考慮的因素還是很多的，如：電氣性能，工藝路線，安規(guī)要求，EMC影響等等；考慮的因素之中電氣是最基本的，但是EMC又是最難摸透的，很多項(xiàng)目的進(jìn)展瓶頸就在于EMC問題；下面從二十二個(gè)方向給大家分享下PCB布板與EMC。

一、熟透電路方可從容進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)之EMI電路

上面的電路對EMC的影響可想而知，輸入端的濾波器都在這里；防雷擊的壓敏；防止沖擊電流的電阻R102（配合繼電器減小損耗）；關(guān)鍵的慮差模X電容以及和電感配合濾波的Y電容；還有對安規(guī)布板影響的保險(xiǎn)絲；這里的每一個(gè)器件都至關(guān)重要，要細(xì)細(xì)品味每一個(gè)器件的功能與作用。設(shè)計(jì)電路時(shí)就要考慮的EMC嚴(yán)酷等級從容設(shè)計(jì)，比如設(shè)置幾級濾波，Y電容數(shù)量的個(gè)數(shù)以及位置。壓敏大小數(shù)量選擇，都與我們對EMC的需求密切相關(guān)，歡迎大家一起討論看似簡單其實(shí)每個(gè)元器件蘊(yùn)含深刻道理的EMI電路。 二、電路與EMC：（最熟悉的反激主拓?fù)?，看看電路中哪些關(guān)鍵地方蘊(yùn)含了EMC的機(jī)理）

上圖的電路中打圈幾部分：對EMC影響非常重要（注意綠色部分不是的），比如輻射大家都知道電磁場輻射是空間的，但基本的原理是磁通量的變化，磁通量涉及到磁場有效截面積，也就是電路中對應(yīng)的環(huán)路。電流可以產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生的是穩(wěn)定的磁場，不能向電場轉(zhuǎn)化；但變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場是可以產(chǎn)生電場（其實(shí)這就是有名的麥克斯韋方程我用通俗語言來說），變化的電場同理可產(chǎn)生磁場。所以一定要關(guān)注那些有開關(guān)狀態(tài)的地方，那就是EMC源頭之一，這里就是EMC源頭之一(這里說之一當(dāng)然后續(xù)還會講到其它方面）； 比如電路中虛線環(huán)路，是開關(guān)管開通和關(guān)斷的環(huán)路，不僅設(shè)計(jì)電路時(shí)開關(guān)速度可以調(diào)節(jié)對EMC影響，布板走線環(huán)路面積也有著重要的影響！另二個(gè)環(huán)路是吸收環(huán)路和整流環(huán)路，先提前了解下，后面再講！三、PCB設(shè)計(jì)與EMC的關(guān)聯(lián)1.PCB環(huán)路對EMC的影響非常重要，比如反激主功率環(huán)路，如果太大的話輻射會很差。 2.濾波器走線效果，濾波器是用來濾去干擾的，但若是PCB走線不好的話，濾波器就可能失去應(yīng)該有的效果。 3.結(jié)構(gòu)部分，散熱器設(shè)計(jì)接地不好會影響，屏蔽版的接地等；4.敏感部分與干擾源頭過近，比如EMI電路與開關(guān)管很近，必然會導(dǎo)致EMC很差，需要有清晰的隔離區(qū)域。 5.RC吸收回路的走線。 6.Y電容接地與走線，還有Y電容的位置也很關(guān)鍵等等！ 等等。先想到這說這些，后續(xù)會具體討論，先起個(gè)引子。 下面舉一個(gè)小例子：

如上圖中虛線框，X電容引腳走線做了內(nèi)縮的處理，大家可以學(xué)習(xí)下，如何讓電容引腳走線外掛（采用擠電流走線）。這樣X電容的濾波效果才能夠達(dá)到最佳狀態(tài)。四、PCB設(shè)計(jì)之準(zhǔn)備事項(xiàng)：（準(zhǔn)備充分了，方可設(shè)計(jì)步步穩(wěn)健，避免設(shè)計(jì)推翻重來） 大致有以下的一些方面，都是自己設(shè)計(jì)過程會去考慮，所有的內(nèi)容跟別的教程無關(guān)，都是只是自己的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。 1.外觀結(jié)構(gòu)尺寸，包括定位孔，風(fēng)道流向，輸入輸出插座，需要與客戶系統(tǒng)匹配，還需要與客戶溝通裝配上的問題，限高等等。 2.安規(guī)認(rèn)證，產(chǎn)品做哪種認(rèn)證，哪些地方做到基本絕緣爬電距離要留夠，哪些地方做到加強(qiáng)絕緣留夠距離或開槽。 3.封裝設(shè)計(jì)：有沒有特殊期間，如定制件封裝準(zhǔn)備。 4.工藝路線選定：單面板雙面板選擇，或是多層板，根據(jù)原理圖及板子尺寸，成本等綜合評估。 5.客戶的其他特殊要求。 結(jié)構(gòu)工藝相對會更靈活，安規(guī)還是比較固定的部分，做什么認(rèn)證，過什么安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然也有一些安規(guī)是很多標(biāo)準(zhǔn)中通用的，但也有一些特殊產(chǎn)品比如醫(yī)療會比較嚴(yán)苛。為了新入門工程師朋友們不至于眼花繚亂；接下來列出些普遍產(chǎn)品通用的,下面是對于IEC60065總結(jié)出來的具體布板要求，針對安規(guī)需要牢記，碰到具體產(chǎn)品要會針對性處理： 1.輸入保險(xiǎn)絲焊盤制件的距離安規(guī)要求大于3.0MM，實(shí)際布板按照3.5MM（簡單說保險(xiǎn)絲前按照3.5MM爬電距離，之后按照3.0MM爬電距離）2.整流橋前后安規(guī)要求2.0MM，布板按照2.5MM。 3.整流后安規(guī)一般不做要求，但是高低壓間根據(jù)實(shí)際電壓大小留距離，習(xí)慣400V高壓留2.0MM以上。 4.初次級間安規(guī)要求6.4MM(電氣間隙），爬電距離按照7.6MM為最佳。（注意這個(gè)跟實(shí)際輸入電壓相關(guān)，需要查表具體計(jì)算，提供數(shù)據(jù)僅供參考，以實(shí)際場合為準(zhǔn)） 5.初次級用冷地，熱地標(biāo)識清晰；L，N標(biāo)識，輸入AC INPUT標(biāo)識，保險(xiǎn)絲警告標(biāo)識等等都需要清晰標(biāo)出。

大家對上面有疑問的，也可以討論，互相學(xué)習(xí)！ 再次重申實(shí)際安規(guī)距離跟實(shí)際輸入電壓相關(guān)以及工作環(huán)境有關(guān)，需要查表具體計(jì)算，提供數(shù)據(jù)僅供參考，以實(shí)際場合為準(zhǔn)；五、PCB設(shè)計(jì)之安規(guī)考慮其它因素1.明白自己產(chǎn)品做什么認(rèn)證，屬于什么產(chǎn)品種類，比如醫(yī)療，通信，電力，TV等各不相同，但也有很多相通的地方。 2.安規(guī)中與PCB布板緊密的地方，了解絕緣的特點(diǎn)，哪些地方是基本絕緣，哪些地方是加強(qiáng)絕緣，不同標(biāo)準(zhǔn)絕緣距離是不一樣的。最好是會查標(biāo)準(zhǔn)，并且會計(jì)算電氣距離，爬電距離。 3.產(chǎn)品的安規(guī)器件重點(diǎn)注意，比如變壓器磁性與原副邊關(guān)系； 4.散熱器與周邊距離問題，散熱器接的地不一樣絕緣情況也不一樣，接大地還是冷地，熱地絕緣也布一樣。 5.保險(xiǎn)的距離特別注意，要求最嚴(yán)格地方。保險(xiǎn)絲前后距離布一致。 6.Y電容與漏電流，接觸電流關(guān)系。 后續(xù)會詳細(xì)說明距離該怎么留，如何做好安規(guī)要求。六、PCB設(shè)計(jì)之電源布局1.首先衡量PCB尺寸與器件數(shù)量，做到疏密有致，要不然一塊密，一塊稀疏很難看。 2.將電路模塊化，以核心器件為中心，關(guān)鍵器件優(yōu)先放的原則一次放置器件。 3.器件呈垂直或水平防置，一是美觀，二是方便插件作業(yè)，特殊情況可以考慮傾斜。 4.布局時(shí)需要考慮到走線，擺放到最合理位置方便后續(xù)走線。 5.布局時(shí)盡可能減小環(huán)路面積，四大環(huán)路后面會詳解到。 做到上述幾點(diǎn)，當(dāng)然要靈活運(yùn)用，比較合理的布局很快就會誕生。 下面是我畫的第一塊處女PCB板，好多年前的事情，當(dāng)時(shí)非常的艱苦完成的，中間可能有小問題，不過大體布局還是值得學(xué)習(xí)的：

此圖功率密度還是比較高，其中LLC的控制部分，輔助源部分以及BUCK電路驅(qū)動（大功率多路輸出）部分在小板上，就沒拿出來，看看主功率方面的布局特點(diǎn)吧： 1.輸入輸出端子是固定死的，不能動，板子是長方形的，主功率流向如何去選擇？ 這里采用由下至上，由左及右的方式來布局，散熱是依靠外殼。 2.EMI電路還是清晰的流向，這點(diǎn)很重要，要不混亂了不美觀也對EMC不好。 3.大電容的位置盡量考慮到了PFC環(huán)路以及LLC主功率環(huán)路； 4.副邊的電流比較大，為了走電流，以及整流管散熱，采用了這樣的布局，整流管在上，BUCK電路MOS管在下，散熱分散效果好；大功率的頂層一般走負(fù)，底層走正。 每個(gè)板子有自己的特點(diǎn)，當(dāng)然也有自己的難處，如何合理解決是關(guān)鍵，大家從中能理解布局合理選取的含義嗎？七、PCB實(shí)例賞析可以根據(jù)之前談?wù)摰腜CB布局要點(diǎn)，檢視此板，是否做的很到位，我認(rèn)為是做到比較好的地方了，當(dāng)然瑕疵總會有，也可以提出來，單面板如此緊湊能做到這樣已實(shí)屬不易了，可以借此板學(xué)習(xí)討論！后面還會針對此板講解學(xué)習(xí)，大家先欣賞下。

八、PCB設(shè)計(jì)之四大環(huán)路認(rèn)識：（PCB布局的基本要求就是四大環(huán)路面積?。?/strong>

上圖是典型的BOOST PFC電路： 左邊綠色方框部分是驅(qū)動電路，和之前LLC拓?fù)潋?qū)動一樣，離MOS就近放置，原理圖上就體現(xiàn)出來。 右邊綠色虛線方框部分，是MOS管關(guān)斷尖峰吸收電路，一樣與MOS管構(gòu)成環(huán)路要最小； 另外二大重要環(huán)路，一是MOS管開通環(huán)路（虛線紅色圖），另一個(gè)是MOS管關(guān)斷環(huán)路（實(shí)線紅色圖）；環(huán)路面積盡可能?。?strong style="">十四、磁環(huán)在EMC中妙用 有的產(chǎn)品EMC很難在源頭上去處理的，可以采用磁環(huán)濾波，當(dāng)然我這里說的磁環(huán)有二個(gè)層面的意思，一方面是輸入輸出端的濾波電感，采用不同材質(zhì)磁環(huán)，不同匝數(shù)會有對應(yīng)的效果，還有一方面意思是直接在輸入輸出線上套磁環(huán)，有時(shí)能起到妙用，但不是在所有場合都能用，起碼還是能作為判斷依據(jù)；

上圖藍(lán)色和黑色線是輸出正負(fù)端，上面套了個(gè)磁環(huán)，解決了輸出整流管引起的高頻端超出；有些時(shí)候端口的干擾在PCB板上加濾波器未必有效果，在輸出線上放磁環(huán)就有想不到的效果。十五、PCB走線之關(guān)鍵信號

注意： 1.CS信號（采樣信號）：從采樣電阻R25，R26拉出，注意IC的地線以采樣電阻為基準(zhǔn)，采樣電阻的正負(fù)差分走線拉倒IC CS腳以及IC 的GND腳。 2.驅(qū)動信號從驅(qū)動電路拉倒IC驅(qū)動引腳，注意不要干擾到CS腳；如圖走線三根線并排走，并且將地線走在驅(qū)動先和CS線中間起到一定屏蔽作用； 3.雙面板最好將IC一層鋪地屏蔽，鋪地的網(wǎng)絡(luò)一定要從IC GND引出，非關(guān)鍵信號GND可直接打過孔，關(guān)鍵信號地需要單點(diǎn)接地，直接接IC； 4.FB反饋網(wǎng)絡(luò)信號注意查分走線并且單點(diǎn)接IC； 5.RCD吸收網(wǎng)絡(luò)不要放在主回路； 6.VCC的整流濾波地需要接主功率地，二級濾波可接IC 地； 7.Y電容走線單獨(dú)接，不可與主功率混淆，避免干擾；十六、主功率及控制部分地接線示意圖

可能很多人看到此圖，云里霧里的，大致介紹下： 1.PFC的驅(qū)動和IC共地接PFC管，更具體點(diǎn)是接采樣電阻的地； 2.DC-DC部分的驅(qū)動地和控制地接DC開關(guān)管部分的采樣地； 3.輔助源部分控制地接輔助源MOS管采樣第，MOS管地再接主功率地； 4.各自IC的供電地通過輔助源EC濾波接IC地，注意RC濾波靠近IC； 總結(jié)：注意好各自的單點(diǎn)接地，地線不亂，是走線最重要的地方之一?。?！十七、電磁場屏蔽機(jī)理分析 圖一：磁場屏蔽原理

如圖對照：輸入和輸出的電場干擾可以通過電容傳輸耦合，若增加屏蔽板，則增加了C4的大小，并且C1也會減小，對電場干擾起到衰減的目的；圖二：磁場屏蔽原理

如圖：磁場屏蔽的特點(diǎn)和磁場不一樣，需要外殼屏蔽，電場只需要平面屏蔽板，故散熱器屏蔽帶來的是電場屏蔽，有的采用外殼封閉式電源則起到了一定磁場屏蔽； 磁場屏蔽原理，磁場通過屏蔽罩會改變磁路，導(dǎo)致磁力線向周圍擴(kuò)散，中間磁場干擾達(dá)到屏蔽目的；十八、開關(guān)器件與EMC 對器件的認(rèn)識對EMC也有著重要的意義，比如MOS管，主開關(guān)MOS是很重要的EMC源頭之一，還有整流管的開通以及關(guān)斷也會產(chǎn)生高頻輻射（原理是電流產(chǎn)生磁場，變化的電流產(chǎn)生電場）；當(dāng)然這里主要是介紹半導(dǎo)體開關(guān)器件，其他的電感變壓器就不做說明了； 開關(guān)器件哪些參數(shù)對EMC有重要影響，我們常說快管，慢管是以什么作為參照的呢？我們都知道快管開通損耗小，為了做高效率都喜歡用，但是為了EMC順利通過，不得不舍棄效率，降低開關(guān)速度來減弱開關(guān)輻射； 對于MOS管，開通速度是由驅(qū)動電阻與輸入結(jié)電容決定的；關(guān)斷速度是由輸出結(jié)電容與管子內(nèi)阻決定；

參照以上兩圖，是不同型號的MOS管，對比下輸入結(jié)電容和輸出結(jié)電容，2400PF與800PF;780PF與2200PF；一看就知道第一個(gè)規(guī)格是快管，第二個(gè)是慢管，這時(shí)候決定開關(guān)速度還要與驅(qū)動電阻匹配；常規(guī)情況驅(qū)動電阻在10R-150R比較多，選取驅(qū)動電阻與結(jié)電容有關(guān)，針對快板驅(qū)動電阻可適當(dāng)增大，慢管驅(qū)動電阻可適當(dāng)減??； 對于二極管，有肖特基二極管，快回復(fù)二極管，普通二極管，還有一種用的比較少的SIC二極管，開關(guān)速度SIC二極管幾乎為零，等于是沒有反向恢復(fù)，開關(guān)輻射最小，并且損耗也最小，唯一的缺點(diǎn)就是價(jià)格昂貴，故很少用；其次就是肖特基二極管，正向壓降低，反向恢復(fù)時(shí)間短，依次是快回復(fù)和普通二極管；需要在損耗和EMC之間折中；一般可采取改吸收以及套磁珠等措施整改EMC；十九、EMC之濾波器

濾波器的架構(gòu)選擇對濾波器的影響很重要，在不同場合，濾波器是根據(jù)阻抗匹配來達(dá)到濾波效果，大家可根據(jù)此圖的原則參考選取如何濾波；比如最常用的輸出整流橋后采用π型濾波以及輸出端采用LC濾波器；

濾波器的材質(zhì)對設(shè)計(jì)濾波電感也是至關(guān)重要，采用不同初始磁導(dǎo)率的材質(zhì)會在不同頻率段起作用，選錯(cuò)材質(zhì)就完全失去應(yīng)有的效果；二十、EMC之反激高頻等效模型分析

先從最簡單的模型理解EMC： EMC的路徑，當(dāng)然空間輻射是跟環(huán)路有關(guān)，環(huán)路也是路徑構(gòu)造成的；分析出反激高頻等效模型，幫助理解EMC形成的機(jī)理；我們的測試接收設(shè)備會從L,N端接收傳導(dǎo)，為了減小接收的干擾，就必須讓干擾通過地回路流通而不從L,N端口流向接收設(shè)備；這時(shí)候我們的EMI電感以及Y電容通過阻抗匹配就可以實(shí)現(xiàn)；另外原邊的干擾可以通過原副邊Y電容，變壓器雜散電容以及大地耦合到副邊，形成更多的回路；當(dāng)然一些結(jié)電容參數(shù)，如MOS管結(jié)電容，散熱器結(jié)電容也能構(gòu)成流通路徑；二十一、輻射的形式以及頻率分布

這個(gè)圖可能有些抽象，不過正好EMC是很難做到具體，需要給到我們一些啟示，可知：差模輻射是以環(huán)路的形式存在，而共模輻射是以天線的形式發(fā)射；因此正好印證前面說我們布板的時(shí)候開關(guān)環(huán)路的布局以及走線的時(shí)候不要走銳角，常規(guī)走45度，最好是圓弧走線，當(dāng)然走線效率會比較低； 這些原理基礎(chǔ)知識理解得好，對實(shí)際處理EMC工作以及布板很有用那個(gè)，如果沒這種意識，可能毫無用處，因?yàn)樘峁┎涣酥苯臃椒?，需要與其他知識想結(jié)合； 而且這里提的很多原理東西，在很多EMC資料中是看不到的，而且也沒這么集中，需要反復(fù)體會！

如圖：一些頻率端與開關(guān)電源產(chǎn)生部位的關(guān)系，這只是一般規(guī)律，不要完全相信；既是規(guī)律又不能盡信是為什么？規(guī)律并不是在所有情況下成立，不同電源的差異也很大，所以原理是幫你分析，而不是按照方法去硬套；二十二、EMC實(shí)例

根據(jù)傳導(dǎo)實(shí)例，頻率的分布點(diǎn)關(guān)鍵是具體的數(shù)據(jù)與基頻之間的關(guān)系，這個(gè)測試完后，需要揣測這些數(shù)值的規(guī)律，可能能發(fā)現(xiàn)什么蛛絲馬跡；當(dāng)然對于這些頻率如何通過濾波器去解決的手段前面也說過了； 這里是給大家補(bǔ)充一些似乎很神秘的EMC它是怎么來的，感覺不再神秘，而不只是稀里糊涂的采用濾波器解決了問題！

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