开关电源印制电路板的设计

1 引言

随着电力电子技术和微电子技术、磁性材料科学和烧结加工工艺，以及其它边沿学科的不断发展，出现了许多新的电子产品。开关电源作为各种电子设备的心脏，已成为各种研究中的热门学科。开关电源日趋小型化、高速化和高密度化，这种趋势使电磁兼容问题日显严重。开关电源的印制电路板设计是解决电磁兼容性的一个重要方面。下面从电路板的基材、布局和布线、焊盘等方面介绍开关电源印制电路板的设计。

2 开关电源印制电路板常用材料

印制电路板常用的基材分两大类：纸质覆铜箔层压板和玻璃布覆铜箔层压板。层压板是由粘结树脂与纸或玻璃布在加热和加压条件下形成的压制品。常用的粘结树脂是酚醛树脂和环氧树脂。酚醛纸质铜箔层压板易吸水，工作温度不宜超过100℃，120℃以上电气性能不稳定，但由于成本低，在民用产品中仍被广泛应用。

环氧酚醛玻璃布铜箔层压板受潮影响小，有较高的工作温度，在电气性能、机械性能、尺寸稳定性、抗热冲击等方面都比纸质层压板好。而且具有比较适中的性能价格比，目前在开关电源中是比较常用的印制电路板。由于多层印制板成本较高，在开关电源中很少使用。

3 开关电源印制电路板的布局和布线

在布局时先留出定位孔、输入输出端、指示灯等位置，之后再布置大器件和特殊元器件，如高频变压器、发热元件和集成电路。所有元件要放在离电路板边缘3mm以上的地方，给批量生产时流水线和波峰焊的导轨槽让出位置。一般设计流程为：放置高频变压器→设计电源开关电流回路→设计输出整流器回路→连接到交流电源电路的控制电路→设计输入电流回路和输入滤波器→设计输出负载回路和输出滤波器。

在开关电源印制电路板设计具体布局和布线方面一般遵循以下原则。

(1) 按照电路原理图安排各功能电路的位置。一般是交流输入整流滤波电路、高频逆变电源、输出滤波电路和取样反馈控制电路。

(2)要以每个功能电路的核心元器件为中心，围绕核心元器件进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在印制电路板上。尽量减少和缩短各高频元器件之间的连接线距离，设法减小它们的分布参数和相互间的电磁干扰。

(3)尽可能缩小高频大电流回路所包围的面积，缩短高电压元器件的连线，功率管和变压器的距离要短。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元器件应分开放置，隔离的距离与承受高电压的耐压测试有关。一般电压2kV相隔的距离为2mm以上，电压3kV相隔的距离为3.5mm以上，有时为避免爬电，还需要在高压和低压区域开一定宽度的槽。

(4)尽可能缩小控制回路所包围的面积，从可靠性角度考虑，这部分电路是开关电源中比较脆弱的部分;从电磁兼容的角度考虑，这部分电路在开关电源中比较敏感。缩小控制回路所包围的面积，实际上是减小了干扰“接收天线”的尺寸，有利于降低对外部干扰的拾取能力，提高了开关电源的可靠性和电磁兼容性。

(5)某些元器件和导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免由于放电引起意外的短路。带强电的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

(6)控制电路和功率电路要分开，采用单点接地方式将彼此间的地线回路连在一起。通常控制部分不要大面积接地，因为大面积接地容易起天线作用，引入干扰影响控制部分的正常工作。

(7)开关电源的输出滤波电路可以采用多只较小的电解电容，避免用一只容量较大的电解电容。因为多只较小的电解电容有较小的等效串联电阻值，有利于提高开关电源的输出滤波性能。

(8)对于电位器、可调电感线圈和微动开关等可调元器件应放在印制板方便调节的地方。

(9)有脉冲电流流过的区域要远离输出端子，使噪声源与直流输出部分分离。

(10)相邻导线之间不应有过长的平行走线，要采用垂直交叉方式，线宽不要突变，也不要突然拐角和环形走线。在布线中最好避免使用直角和锐角，一般拐角应该大于90°。直角的路径内部的边缘能产生集中的电场，该电场能产生耦合到相邻路径的噪声，45°路径优于直角和锐角路径。当两条导线以锐角相遇连接时，应将角改成圆弧形。

(11)印制导线的最小宽度，主要由导线和绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。只要电路板允许，尽可能采用较宽的线，尤其是电源线和地线。

(12)采用大面积覆铜时，应将铜箔表面开孔为网状，防止波峰焊时产生铜箔的膨胀和脱落。

(13)在开关电源印制电路板设计中，为降低成本采用单面板，有个别线条无法走通而必须采用跳线时，要做到跳线不要太多，跳线长度不要太长，跳线的长度品种不要太多。

4 焊盘尺寸

焊盘的内径尺寸要从元器件的引线直径和公差尺寸，以及镀锡厚度、孔径公差等方面考虑。较好的匹配是焊盘的内径尺寸比元件引线直径略大于(0.15～0.3)mm。焊盘直径常取内径直径的(1.5～2)倍。内孔大的可取小点，焊盘不易过大，否则容易虚焊。

焊盘连接走线较细时，应将走线与焊盘间的连接设计成泪滴状，这样可以使焊盘不容易被剥离，铜箔线与焊盘之间的连线不易断开。

5 结束语

开关电源印制电路板的设计好坏对电路板抗干扰能力影响很大，因此在设计中必须遵守印制电路板的基本设计原则，使开关电源符合抗干扰设计的要求，电路获得最佳性能。本文介绍了开关电源印制电路板设计时的一般原则，希望能给从事开关电源设计人员提供一些参考。