有關(guān)PCB板布局和走線的電氣方面的指導(dǎo)

1): 應(yīng)用范圍:
  此文檔闡述了開關(guān)電源PCB板的布局和走線在設(shè)計(jì)過程中須遵循的電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).
2): 概況:
2.1 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)
  MIL-STD-275F
  UL60950-1
  2.2 說明
  除非另有備注,否則本文所有列出的尺寸均為英寸
3): 應(yīng)用指南
   3.1概論:
     開關(guān)電源的PCB布局和走線對(duì)電路功能的正確性和可靠性非常重要,相對(duì)于單純的仿真電路和數(shù)字電路來講,開關(guān)電源有非常高的電壓和大電流,因此,其走線的間隔和走線寬度就顯的尤為重要,另外,高效率的追求使得現(xiàn)代開關(guān)電源的工作頻率越來越高(>50KHz), 開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間也越來越短(<1000 nS ),而這一切(高電壓;大電流;高頻率;短時(shí)間)的結(jié)和使得開關(guān)電源的主要零件的走線要求非常短和粗(保正間距的前題下).
     開關(guān)管的快速開關(guān)會(huì)帶來EMI噪音的問題,它會(huì)干擾開關(guān)電源和其它電器的正常工作.或者導(dǎo)致系統(tǒng)超過可允許的EMI范圍, EMI噪音是不可能被完全消除的.但是我們可以采用一些方法把它降到最低值或者降到一個(gè)允許的范圍內(nèi),方法包括對(duì)噪聲源和敏感電路的隔離;對(duì)大電流的地線的屏避,以及通過對(duì)關(guān)鍵部位放置陶瓷電容和鐵氧體磁珠來減小EMI的影響.
開關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)工作其實(shí)不簡(jiǎn)單,實(shí)際上在開始時(shí)確定一切是不可能的.整個(gè)PCB設(shè)計(jì)只有通過PCB布局者和電源設(shè)計(jì)者的相互交流和溝通,經(jīng)過數(shù)次的反復(fù)修改,最終才能獲的一個(gè)可靠的方案.

3.2 零件的放置
  零件最初的放置應(yīng)依照3.2.1-3.2.3條款內(nèi)容,再通過反復(fù)的修正來達(dá)到3.2條款內(nèi)容.因?yàn)橛袝r(shí)候不可能完全滿足所有的條款內(nèi)容,所以結(jié)果往往是折衷的.無論如何,對(duì)零件的放置進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砭惋@得十分重要.


3.2.1 零件的初步布局
電源設(shè)計(jì)人員應(yīng)提供一個(gè)布局草圖,此草圖可以是一個(gè)手稿,不過,最佳方案是能提供一個(gè)計(jì)算器輔助設(shè)計(jì)工具(Layout CAD)的初步草圖.在設(shè)計(jì)過程中,最重要的部分就是主回路的零件的放置.以及其它的所有的重要零件的放置.

3.2.2 零件的區(qū)域布局
  在實(shí)際工作中,應(yīng)該按電路的功能對(duì)零件進(jìn)行區(qū)域布局,同一功能的零件應(yīng)該均勻地;緊湊地放在一起,而不同功能的零件之間應(yīng)該有一個(gè)有效的隔離.依3.2.1條款.電源設(shè)計(jì)者應(yīng)提供一個(gè)在PCB板上的重要零件的放置圖和主要電路的功能模塊的零件放置圖.

3.2.3 電路布局
  零件應(yīng)該放在一個(gè)很恰當(dāng)?shù)奈恢?以便于走線和減少交叉走線以及減少走一些較長(zhǎng)的走線,至于哪些走線必須短,請(qǐng)參考3.6條款.其中的內(nèi)容應(yīng)該引起重視.另外,一些重要的走線應(yīng)該保證足夠的寬度,(具體尺寸請(qǐng)參照3.4).此外,安全間距和重要走線的間距請(qǐng)參照3.5

3.2.4 敏感電路和噪音電路
  敏感電路指的是對(duì)噪音特別敏感的電路.噪音電路指的是噪聲源.對(duì)絕大部份電源來說,通常都有一些敏感電路和噪音電路.這些電路彼此之間必須進(jìn)行有效的隔離,最好的方法是把兩者之間的距離控制在1inch以上.這樣,能有效的減少故障的發(fā)生.敏感電路和噪音電路在原理圖上應(yīng)該有明顯的標(biāo)示.

3.2.5 溫升和機(jī)構(gòu)的考量
溫升和機(jī)構(gòu)的問題非常重要,電源設(shè)計(jì)者應(yīng)該提供一個(gè)很詳細(xì)的指導(dǎo)方針,并且需要評(píng)估PCB布局和散熱片以及設(shè)計(jì)的完整性.通常這些問題將優(yōu)先處理.就電源來說,正確的布局和走線對(duì)電路的正確性非常關(guān)鍵.它是保電路正確性的首要條件,其次就是熱和機(jī)構(gòu)以及制造的考量.

3.2.6 生產(chǎn)考量
生產(chǎn)考量對(duì)PCB布局者來說是一個(gè)十分普遍的問題,所有細(xì)節(jié)應(yīng)該由電源設(shè)計(jì)者來確定.

3.3 層的定義:
   電源設(shè)計(jì)者必須確定PCB板是單層板還是多層板,如果是多層板.設(shè)計(jì)者必須定義電源層,地層,屏蔽層,走線層.另外,還必須定義每個(gè)層的銅箔尺寸.因?yàn)檫@有助于保證PCB板的彎曲最小化,平衡最佳化.最后,任何特定的約束都應(yīng)考慮,其中可能包括主回路和信號(hào)回路的隔離,敏感電路和噪音電路的隔離以及地平面的分割.
3.4 走線的寬度
   電源設(shè)計(jì)者必須指定最小的(默認(rèn)值)走線寬度.另外,設(shè)計(jì)者提供的原理圖上必須指定所有的走線的最小線寬.任何一個(gè)最小的線徑和最大電流值都必須詳細(xì)確定.如果是后者,最小的線寬將由下表決定.首選值是溫升小于10℃欄中所列.
    圖表中所指的是可允許線寬的最小值. 此外,可以增加一些助焊層在走線上.這樣有助于走線在過波峰焊時(shí)能吃錫.而增加走線的載流能力.這些做法都必須由電源設(shè)計(jì)者來評(píng)估和審核.

Mil-Std-275F
Current Carrying Capacity of External PCB Traces. Derate 50% for internal traces.
Temp Rise 10C 20C 30C
Copper 1/2 oz. 1 oz. 2 oz. 1/2 oz. 1 oz. 2 oz. 1/2 oz. 1 oz. 2 oz.
Trace Width (mil) Maximum Current (Amps)
10 0.5 1 1.4 0.6 1.2 1.6 0.7 1.5 2.2
15 0.7 1.2 1.6 0.8 1.3 2.4 1 1.6 3
20 0.7 1.3 2.1 1 1.7 3 1.2 2.4 3.6
25 0.9 1.7 2.5 1.2 2.2 3.3 1.5 2.8 4
30 1.1 1.9 3 1.4 2.5 4 1.7 3.2 5
35 1.2 2.1 3.3 1.5 2.8 4.5 1.9 3.5 5.6
50 1.5 2.6 4 2 3.6 6 2.6 4.4 7.3
75 2 3.5 5.7 2.8 4.5 7.8 3.5 6 10
100 2.6 4.2 6.9 3.5 6 9.9 4.3 7.5 12.5
150 3.1 5.6 9.2 4.8 8 10.5 5.9 10.3 16.5
200 4.2 7 11.5 6 10 11 7.5 13 20.5
250 5 8.3 12.3 7.2 12.3 20 9 15 24.5
300 6 10 8 13.6 10 17
400 7 12 10 16.5 11 22

在多層板中,由于過孔連接于不同的層面.所以會(huì)有明顯的阻抗而降低負(fù)載的調(diào)整.對(duì)0.6mm的過孔來說,最佳的允許電流是1A.最大允許電流是3A.



3.5 走線間距
   電源設(shè)計(jì)者提供的原理圖中必須注明對(duì)地的Peak電壓超過50V的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn).首選的和最小的間距由銅箔,焊盤間距以及下表所列的標(biāo)準(zhǔn)而定.
  
PCB Conductor Spacing (inches) - External Layers
Coated (soldermask) Uncoated (exposed)
Voltage between Conductors (VDC or Peak) Preferred Minimum Minimum
0 - 15 0.025 0.02 0.025
16 - 30 0.025 0.02 0.025
31 - 50 0.025 0.02 0.025
51 - 100 0.05 0.03 0.05
101 - 150 0.05 0.03 0.05
151 - 170 0.07 0.05 0.07
171 - 250 0.07 0.05 0.07
251 - 300 0.07 0.05 0.07
301 - 500 0.1 0.08 0.1
501 - 750 0.125 0.1 0.15
751 - 1000 0.15 0.125 0.2

PCB Conductor Spacing (inches) - Internal Layers
Voltage between Conductors (VDC or Peak) Preferred Minimum
0 - 15 0.025 0.01
16 - 30 0.025 0.01
31 - 50 0.025 0.01
51 - 100 0.035 0.02
101 - 150 0.035 0.02
151 - 170 0.05 0.03
171 - 250 0.05 0.03
251 - 300 0.05 0.03
301 - 500 0.075 0.05
501 - 750 0.1 0.75
751 - 1000 0.125 0.1

對(duì)于AC輸入線的應(yīng)用,線與零件之間的距離必須滿足漏電流的要求以及滿足指定的安規(guī)要求.

3.6 短距離走線
    象3.2.3提及的那樣,有一些走線應(yīng)盡可能的保持短距離走線,普遍來說,其它要表現(xiàn)在一些開關(guān)電流和較高的ΔI/ΔT的走線.這些走線應(yīng)該在原理圖上表示出來.電源設(shè)計(jì)者必須判斷出哪些走線應(yīng)足夠短.以及當(dāng)與其它規(guī)定發(fā)生沖突時(shí),應(yīng)以哪一個(gè)為優(yōu)先處理.

3.7 布線及鋪銅
    零件的走線應(yīng)該參照3.3和其它指導(dǎo)方針進(jìn)行手工布線.希望設(shè)計(jì)者能夠和PCB布局者共同討論,從而確定一些布線中的優(yōu)先權(quán)設(shè)置,以及做出一個(gè)完善的方案.另外PCB布局者應(yīng)該每日發(fā)送一次經(jīng)更新后的PCB進(jìn)展情況給電源設(shè)計(jì)者.電源設(shè)計(jì)者應(yīng)該檢查和評(píng)估PCB布局狀況并立即反饋給PCB布局者,使PCB布局反復(fù)修改的次數(shù)最少化.
    當(dāng)然如果有一個(gè)沒有預(yù)估到的問題出現(xiàn),返回上一次去修改和調(diào)整部份零件是很有必要的.這種狀況必須在首次版本確定以前,或者在做一個(gè)大的修改版本以前就確定,而不能出現(xiàn)PCB出Gerber File的時(shí)候.

3.8 散熱片的考量
3.8.1 間距
高壓電路部份的焊盤與散熱片之間,非絕緣的零件表面和散熱片之間必須有一個(gè)加強(qiáng)的安全間距,具體的安全距離將以下表為參考.

Minimum Clearance to Heatsinks (UL60950-1)
Peak (VDC) VRMS Clearance (mm)
71 50 0.4
210 150 0.5
420 300 1.5
840 600 3

對(duì)于AC線來說,間距必須滿足漏電流的要求以及指定的安規(guī)要求.
3.8.2 電性干擾
有案例說明,部份電路和散熱片之間有高頻噪聲和干擾.像這種干擾會(huì)影響電路功能的完整,性這些因素應(yīng)該由電源設(shè)計(jì)者來判定是否需要切割散熱片或者作必要的屏蔽.