PCB科技 - 開關電源PCB設計的全過程及關鍵考慮因素

開關電源PCB設計的全過程及關鍵考慮因素

作為一名專業的PCB工程師，在進行開關電源的PCB佈局和佈線時，需要特別注意以下重要事項：

電源接入後的處理：電源接入後，首先通過濾波電容器進行淨化，然後輸送到後續設備使用。 這是因為PCB的排列不是理想的導電通道，它們具有一定的電阻和分佈電感。 如果從濾波電容器之前取電，這將導致電源中的紋波分量更大，從而降低濾波效果。

線條設計細節：在設計中，線條應盡可能寬而不是細，避免使用鋒利的倒角和直角轉彎。 對於地線，應設計得盡可能寬，並優先使用大面積銅，這樣可以顯著提高接地效果。

電容器的佈局原則：電容器主要用於為開關器件（如柵極電路）或其他需要濾波/去耦的組件提供必要的電容支持。 囙此，在佈局過程中，應確保這些電容器盡可能靠近它們所服務的組件，以避免過大的距離導致電容器故障。

在設計電源板的PCB佈局時，結合安全規定，需要特別注意以下關鍵點：

對於交流電源進線部分，在保險絲安裝到位之前，應確保兩根電源線之間的最小安全間距不小於6mm，同時這兩根電源線與主機殼外殼或主機殼接地部分之間的最小安全距也應保持在8mm以上。

熔斷器安裝後的對準設計需要仔細設計，以確保零線和火線之間的最小爬電距離為3mm或更大，以防止電力短路和安全隱患。

高壓區域和低壓區域之間應保持至少8mm的最小爬電距離。 如果該距離等於或小於8mm，則應在兩個區域之間提供2mm寬的安全槽，以進一步確保電力隔離和安全。

高壓區域應配備一個可見的高壓警告標誌，其形式為包含感嘆號的三角形符號，並通過絲網印刷在PCB上。 此外，高壓區域應標有不小於3mm寬的絲網印刷框架，以突出其特殊特性，並提醒操作人員注意安全。

在高壓整流濾波電路中，正負極之間的最小安全距離應不小於2mm，以防止因距離過近而引起的電擊穿或短路問題。

開關電源PCB的設計過程：

原理圖設計：首先，根據設計要求，使用專業的電子設計軟體繪製開關電源的原理圖。 這是整個設計過程的起點，為後續步驟提供了基礎。

網絡錶生成：原理圖設計完成後，軟件將通過編譯和檢查原理圖是否正確來自動生成相應的網絡錶。 網絡錶詳細記錄了電路中每個組件之間的連接關係，這是後續PCB佈局和佈線的重要依據。

物理邊界設定：接下來，您需要在設計軟體（Keepout Layer）中設定PCB的物理邊界，以明確PCB的外形尺寸和邊界限制，確保後續的佈局和佈線不會超出範圍。

元件和網絡導入：將原理圖元件和網絡關係導入PCB設計環境，為後續佈局和佈線做好準備。

元件佈局：元件佈局是PCB設計中非常關鍵的一步。 合理的佈局不僅可以提高產品壽命和穩定性，還可以增强電磁相容性。 佈局應遵循以下原則：

放置順序：首先將與結構密切相關的組件放置在固定位置，如電源插座、指示燈、開關等，並使用軟件的鎖定功能進行固定。 然後在生產線上放置特殊組件和大型組件，如發熱組件、變壓器、集成電路等。 最後放置小組件。

散熱注意事項：對於大功率電路，應特別注意散熱。 發熱元件應分散佈局，避免集中放置，不要靠近高電容，以防止電解液過早老化。

佈線：完成組件佈局後，佈線工作開始。 佈線需要考慮訊號的完整性、電流的大小和方向以及電磁干擾等因素。

調整和細化：佈線完成後，需要調整文字、單個組件、對齊等，並進行銅處理。 銅佈線通常用於填充佈線後留下的空白區域，通過鋪設銅箔用於接地（GND）或電源（VCC）（但要注意短路的風險）。 此外，對於有特殊要求的訊號線，可以使用接地包裹，用兩根地線將其包圍，以防止干擾。

檢查和驗證：最後，整個PCB設計需要仔細檢查和驗證，以確保網絡關係與原理圖一致，沒有遺漏或錯誤。 這是保證設計質量和順利生產的重要一步。

經過上述步驟，完成了開關電源的PCB設計。 在提交給製版商之前，應重新確認設計的準確性和完整性。

在PCB設計和機构設計的協同過程中，需要確保兩者之間的和諧：

為滿足高度限制要求，必須仔細規劃組件的佈局，以避免裝配過程中的任何干擾。 同時，PCB的形狀設計、定位孔和安裝孔的位置和尺寸需要與結構設計緊密匹配，以確保PCB的製造和安裝順利進行。

設備的選擇需要充分考慮結構和加工誤差，以確保所選設備能够適應結構部件的加工精度。 在PCB佈局中，應優化裝配工藝以提高生產效率。 設計人員需要評估電路板的形狀設計是否過於複雜，可以通過簡化設計（如用單層面板代替多層或雙面電路板）來减少裝配過程中的問題。

PCB的每一面都應盡可能在一次組裝過程中完成，以减少手工焊接的使用，提高自動化生產。 在可能的情况下，應將盒式組件替換為SMD組件，以降低生產成本並提高生產效率。

組件的包裝必須與實物一致，焊盤的間距和尺寸需要滿足設計要求。 元器件應均勻分佈，特別是大功率器件應分散，避免PCB局部過熱應力，影響焊點的可靠性。 對於大功率器件，還應特別考慮熱設計。

在條件允許的情况下，類似的組件應沿同一方向排列，具有相同功能的模塊應集中排列。 同一包裝的組件應等距放置，以方便組件放置、焊接和測試。 最後，絲網印刷應清晰易讀，極性和方向訓示清晰，並確保在組裝完成後不會被設備遮擋。

PCB（印刷電路板）版本的資料種類繁多，適用於開關電源領域常用的資料：

阻燃級資料：在PCB資料中，94V-0和94V-2是阻燃級資料，其中94V-0是該類別中最高的阻燃資料。

有機資料：這些資料主要由有機物組成，通常包括酚醛樹脂、玻璃纖維增强環氧樹脂（簡稱玻璃纖維板）、聚醯亞胺（Polyimide）和BT/環氧樹脂（雙馬來醯亞胺三嗪/環氧樹脂）等。這些資料因其良好的電效能和加工效能而廣泛應用於PCB製造。

無機資料：與有機資料不同，無機資料主要由鋁、銅-因瓦銅（一種特殊的夾層結構銅合金資料，適用於高精度、低膨脹係數的應用）和陶瓷等無機物質組成。 這些資料在高頻、高溫或特殊環境應用等特定領域具有獨特的優勢。

鋁PCB：鋁基板是一種特殊類型的PCB資料，它使用鋁作為基材，電路層通過特殊工藝緊密地結合在鋁基板上。 鋁基板不僅具有優异的散熱效能，而且可以有效地减小PCB的尺寸和重量，囙此廣泛應用於開關電源和其他需要高效散熱的電子設備。

資料識別流程：

首先，我們對樣本進行單獨測試，並發佈“樣本測試報告”。 對於一些需要專用儀器的項目，我們可以參考製造商提供的測試結果。 對於國外知名品牌的晶體電晶體、塑膠部件和包裝材料，可以免除單獨測試，但各種資料的樣品需要進行實際安裝和使用測試，測試結果將作為最終判斷的重要依據。

接下來，研發部門將以測試結果為關鍵依據，將樣品的測試結果與確認書中的規格進行比較，以確保兩者之間的一致性，並檢查確認書內容的完整性。

如果發現單個測試失敗或確認書不符合要求，將要求採購部門重新提供樣品和確認書。

對於某些關鍵資料，研發部門通過單體測試後，還需要申請小批量試鑄。 此時，研發部門申請，生產部門領導試鑄工作，而品質控制部門負責驗證試鑄資料的質量。

開關電源PCB設計是一個複雜而精細的過程，選擇合適的PCB資料也是開關電源設計中不可忽視的一個問題。 只有全面掌握設計過程、關鍵點和資料選擇等方面的知識，才能設計出高品質、高性能的開關電源PCB，為電子設備的穩定運行提供强有力的保證。