電源適配器PCB設(shè)計流程 | |||||
在電源適配器的設(shè)計工具中,PCB布局有專門的布局軟件,布線也有專門的布線軟件,兩者之間沒什么聯(lián)系。隨著球柵陣列封裝的高密度單芯片、高密度連接器、微孔內(nèi)建技術(shù)及3D板在PCB設(shè)計中的應(yīng)用,布局和布線已越來越一體化,并成為設(shè)計過程的重要組成部分。 PCB的設(shè)計從確定板的板材、板厚和尺寸大小開始。 板材選用時要從電氣性能、可靠性、加工工藝要求、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面考慮,常用的是覆銅箔層壓板。由于環(huán)氧樹脂與銅箔有極好的粘合力,因此銅箔的附著強(qiáng)度和工作溫度較高,可以在260°C的熔錫中浸焊而無起泡。環(huán)氧樹脂浸漬的玻璃布層壓板受潮濕的影響較小。超高頻印制線路最優(yōu)良的材料是覆銅箔聚四氟烯玻璃布層壓板。在有阻燃要求的電氣設(shè)備上,還要使用阻燃性覆銅箔層壓板,其原理是由絕緣紙或玻璃布浸潰了不燃或難燃性的樹脂。 PCB的厚度應(yīng)根據(jù)PCB的功能及所裝組件的重量、PCB插座規(guī)格、PCB的外形尺寸和可承受的機(jī)械負(fù)荷來決定,多層PCB總厚度及各層間厚度的分配應(yīng)根據(jù)電氣和結(jié)構(gòu)性能的需要及覆銅箔板的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格來選取。常見的PCB厚度有0.8mm、1mm、1.6mm、2mm等。還應(yīng)考慮印刷PCB與外接元器件(主要是電位器、插口或其他的PCB)的連接方式。PCB與外接組件一般通過塑料導(dǎo)線或金屬隔離線進(jìn)行連接,但有時也設(shè)計成插座形式,在設(shè)備內(nèi)安裝一個插入式PCB要留出充當(dāng)插口的接觸位置。對于安裝在PCB上的較大組件,要加金屬附件固定,以提高耐振、耐沖擊性能。 另外,在PCB設(shè)計時還要綜合考慮電磁兼容及電磁干擾、串?dāng)_、信號延遲和差分對布線等高密度設(shè)計因素,所以布局布線的約束條件每年都在增加。因此掌握先進(jìn)必要的PCB設(shè)計方法和思路尤其重要。 PCB設(shè)計的主要步驟如下所示。 第1步:系統(tǒng)規(guī)格。在PCB設(shè)計前,設(shè)計團(tuán)隊首先要規(guī)劃出該電子設(shè)備的各項系統(tǒng)規(guī)格,包含系統(tǒng)功能、成本限制、大小、電路工作特性等。 第2步:系統(tǒng)總體框圖。根據(jù)規(guī)劃出的系統(tǒng)規(guī)格制作出系統(tǒng)的功能方塊圖,并標(biāo)示出功能方塊間的關(guān)系。 第3步:對PCB進(jìn)行系統(tǒng)分區(qū)。系統(tǒng)功能方塊圖提供了分割的依據(jù),將系統(tǒng)功能分割數(shù)個PCB區(qū)域,不僅在尺寸上可以縮小,還可以讓系統(tǒng)具有升級與交換器件的能力。 第4步:確定PCB尺寸。通常,PCB尺寸由最終用途決定。例如,基于VME或多總線技術(shù)的系統(tǒng),PCB尺寸是有標(biāo)準(zhǔn)的。在這種情況下,系統(tǒng)的分區(qū)、元件的封裝技術(shù)等均需滿足該標(biāo)準(zhǔn)PCB尺寸。PCB的最終成本,往往體現(xiàn)在層數(shù)及符合標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)板尺寸的拼版數(shù)量。一般PCB生產(chǎn)板長18inch、寬24inch。最大可能地使用原材料標(biāo)準(zhǔn)面積,能得到理想的成本效益。 第5步:繪制PCB原理圖。一旦系統(tǒng)功能、分區(qū)、技術(shù)已經(jīng)明確,就可以生成原理圖和元件的詳細(xì)連接了,原理圖和框圖設(shè)計通常由CAD(計算機(jī)輔助工程)系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)允許工程師在終端進(jìn)行設(shè)計。后續(xù)設(shè)計步驟的所有數(shù)據(jù)都是通過CAD系統(tǒng)從原理圖產(chǎn)生的。 第6步:初步設(shè)計的仿真。為了確保設(shè)計出來的電路圖可以正常工作,必須先用計算機(jī)軟件仿真一次。這類軟件可以讀取設(shè)計圖,并且用許多方式顯示電路的工作情況。這比起實際做出一塊樣本PCB,然后用手動測量的效率要高得多。 第7步:建立元件庫。PCB設(shè)計流程中的這些工具必須提供每個元件各種各樣的信息,以便完成每個步驟。這些信息將進(jìn)入一個庫或一套庫,每個元件都有一個條目。其中所需的信息包括: .元件封裝類型,如通孔、QFP、DIP; .元件尺寸、引腳間隔、引腳尺寸、引腳編號模式; .各引腳執(zhí)行的功能,如輸出、輸入、電源適配器引腳; .各引腳電氣特性,如電容、輸出電感。 第8步:PCB上器件布局。器件放置的方式是根據(jù)器件之間如何相連來決定的,器件必須以最有效率的方式與路徑相連接。所謂有效率的布線,就是連線越短并且通過層數(shù)越少(這也同時減少導(dǎo)孔的數(shù)目)越好。 第9步:滿足高速網(wǎng)絡(luò)規(guī)則。利用軟件可以檢查各器件擺設(shè)的位置是否可以正確連接,或檢查在高速下是否可以正確工作。 第10步:PCB布線。該步驟涉及對所有信號層的銅傳輸線,依照間距和長度規(guī)則連接并進(jìn)行合理調(diào)整。它通常包含對特殊信號的交互性布線和其余部份的自動布線。 第11步:檢查布線結(jié)果。為了確定導(dǎo)出的PCB電路是否能夠正常工作,還必須通過此項檢查,如電路間的最小保留空隙、最小線寬、最小孔徑等。 第12步:生成制造文件。目前PCB制造廠商必須有符合標(biāo)準(zhǔn)的檔案,如Gerber文件,Gerber常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格包括各信號、電源適配器及地線層的平面圖,阻焊層與網(wǎng)板印刷面的平面圖,以及鉆孔等指定檔案。 第13步:設(shè)計歸檔。一旦所有制造數(shù)據(jù)創(chuàng)建完成,該設(shè)計的數(shù)據(jù)庫和所有制造數(shù)據(jù)文件要存儲在光盤或其他存儲介質(zhì)中,方便日后使用中的更改和丟失及破壞時的進(jìn)行備份。 PCB布局設(shè)計 為了設(shè)計質(zhì)量好、造價低的PCB,應(yīng)首先考慮PCB的尺寸大小。PCB尺寸過大時,印制線條長,阻抗增加,抗噪聲能力下降,成本也增加;PCB尺寸過小,則散熱不好,且鄰近線條易受干擾。PCB的最佳形狀為矩形,長寬比為3:2或4:3。位于PCB邊緣的元器件,離PCB邊緣一般不小于2mm。 1.PCB布局的原則及應(yīng)注意的問題 (1)PCB布局原則 在PCB設(shè)計中,布局是一個重要的環(huán)節(jié)。布局結(jié)果的好壞將直接影響布線的效果,因此可以這樣認(rèn)為,合理的布局是PCB設(shè)計成功的第一步。在布局時可根據(jù)走線的情況對器件進(jìn)行再分配,將兩個器件進(jìn)行交換,使其成為便于布線的最佳布局。在布局完成后,還可將設(shè)計文件及有關(guān)信息標(biāo)注在原理圖上,使PCB中的有關(guān)信息與原理圖一致,以便今后的建檔、更改設(shè)計能同步起來,同時對模擬的有關(guān)信息進(jìn)行更新,使得能對電路的電氣性能及功能進(jìn)行板級驗證。 PCB布局設(shè)計前,首先需要對所選用的組件及各種插座的規(guī)格、尺寸、面積等有完全的了解;對各部件的位置應(yīng)合理、仔細(xì)考慮,主要是從電磁場兼容性、抗干擾的角度,以及走線短,交叉少,電源適配器、地的路徑和去耦等方面考慮。在確定PCB尺寸后,再確定特殊組件的位置。最后,根據(jù)電路的功能單元,對電路的全部元器件進(jìn)行布局。應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些,這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲,要相互靠近些。盡可能縮短高頻元器件之間的連線,設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近,輸入和輸出組件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路。 (2)組件排列原則 布局的首要原則是保證布線的布通率,移動器件時注意飛線的連接,把有連線關(guān)系的器件放在一起。盡可能地減小環(huán)路面積,以抑制輻射干擾。按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置,使布局便于信號流通,并使信號盡可能保持一致的方向。放置器件時要考慮以后的焊接,不要太密集,以每個功能電路的核心組件為中心,圍繞它來進(jìn)行布局。各組件排列、分布要合理且均勻,力求整齊、美觀,盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。去耦電容盡量靠近器件的電源適配器引腳。在高頻下工作的電路,要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣,不但美觀,而且容易裝焊,易于批量生產(chǎn)。電阻、二極管、管狀電容器等組件有“立式”和“臥式”兩種安裝方式。 立式指的是組件體垂直于PCB安裝和焊接,其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省空間,在電路組件數(shù)較多,而且PCB尺寸不大的情況下,一般采用立式,立式安裝時兩個焊盤的間距一般取1/10~2/10英寸。 臥式指的是組件體平行且緊貼于PCB安裝和焊接,其優(yōu)點(diǎn)是組件安裝的機(jī)械強(qiáng)度較好。在電路組件數(shù)量不多,而且PCB尺寸較大的情況下,一般是采用平放;對于1/4W以下的電阻平放時,兩個焊盤的間距一般取4/10英寸,1/2W的電阻平放時,兩個焊盤的間距一般取5/10英寸;二極管平放時,對于1N400X系列整流管,一般取3/10英寸;對于1N540X系列整流管,一般取4~5/10英寸。 (3)電位器和1C座的放置原則 電位器和1C座的放置原則如下: ①電位器。在電源適配器中用來調(diào)節(jié)輸出電壓的電位器,順時針調(diào)節(jié)時則輸出電壓升高,逆時針調(diào)節(jié)時輸出電壓降低;在可調(diào)恒流充電器中,電位器應(yīng)為順時針調(diào)節(jié)時電流增大,逆時針調(diào)節(jié)時電流減小。電位器安放位置應(yīng)當(dāng)滿足整機(jī)結(jié)構(gòu)安裝及面板布局的要求,應(yīng)盡可能放置在PCB的邊緣,旋轉(zhuǎn)柄朝外。 ②1C座。在設(shè)計PCB時,1C器件盡量直接焊在PCB上,少用數(shù)1C座。在使用IC座的場合下,一定要特別注意1C座上定位槽放置的方位是否正確,并注意各個1C腳位是否正確,如第1腳只能位于1C座的右下角或左上角,而且緊靠定位槽(從焊接面看)。 (4)進(jìn)出接線端布置 相關(guān)聯(lián)的兩引線端不要距離太大,一般2/10~3/10英寸比較合適。 進(jìn)出線端盡可能集中在1~2個側(cè)面,不要過于離散。 2.板上器件布局 器件布局的第一個步驟是在板上放置器件,將噪聲敏感器件和產(chǎn)生噪聲器件分開放置。完成這個任務(wù)有兩個準(zhǔn)則:一是將電路中的器件分成兩大類,即高速(大于40MHz)器件和低速器件。如果可能,將高速器件盡量靠近板的接插件和電源適配器放置;二是將上述兩大類再分成三個子類,即純數(shù)字、純模擬和混合信號,將數(shù)字器件盡量靠近板的接插件和電源適配器放置。 PCB上元器件放置的通常順序如下所示。 第1步:放置與結(jié)構(gòu)有緊密配合的固定位置的元器件,如電源適配器插座、指示燈、開關(guān)、連接件之類,這些器件放置好后用軟件的LOCK功能將其鎖定,使之以后不會被誤移動。 第2步:放置線路上的特殊組件和大的元器件,如發(fā)熱組件、變壓器、1C等。 第3步:元器件在PCB上的排向,原則上隨著元器件類型的改變而變化,即同類元器件盡可能按相同的方向排列,以便元器件的貼裝、焊接和檢測。在PCB上,組件需均勻排放,避免輕重不均。 第4步:PCB的X、Y方向均要留出傳送邊,PCB上的所有元器件均放置在離板的邊緣5mm以內(nèi)或至少大于板的厚度,這是由于在插件生產(chǎn)的流水線和進(jìn)行波峰焊時,要提供給導(dǎo)軌槽使用,盡量保證元器件的兩端焊點(diǎn)同時接觸波峰焊料。同時也為了防止由于外形加工引起邊緣部分的缺損。如果PCB上的元器件過多,不得已要超出5mm范圍時,可以在板的邊緣加上5mm的輔邊,輔邊開V形槽。 第5步:PCB上若同時有高壓電路和低壓電路,則高壓電路部分的元器件與低壓部分要隔開放置,隔離距離與要承受的耐壓有關(guān)。通常情況下,在2000kV時板上要距離2mm,若要承受更高的耐壓測試,在此之上距離還要加大。例如,若要承受3000kV的耐壓測試,則高、低壓電路之間的距離應(yīng)在3.5mm以上。許多情況下為避免爬電,還會在PCB上的高、低壓之間開槽。 第6步:組件在PCB上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題,其原則是各部件之間的引線要盡量短。在布局上要把模擬信號部分、高速數(shù)字電路部分、噪聲源部分(如繼電器、大電流開關(guān)等)合理地分開,使相互間的信號耦合最小。 第7步:當(dāng)尺寸相差較大的片狀元器件相鄰排列且間距很小時,較小的元器件在波峰焊時應(yīng)排列在前面,先進(jìn)入焊料波,避免尺寸較大的元器件遮蔽其后尺寸較小的元器件而造成漏焊。PCB上不同組件相鄰的焊盤圖形之間的最小間距應(yīng)在1mm以上。 3.特殊器件布局 在確定特殊組件的位置時要遵守以下原則: ①盡可能縮短高頻元器件之間的連線,設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近,輸入和輸出組件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離; ②某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差,應(yīng)加大它們之間的距離,以免放電引起意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。 ③質(zhì)量超過15g的元器件,應(yīng)當(dāng)用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件,不宜裝在PCB上,應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上,且應(yīng)考慮散熱問題。熱敏組件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱組件; ④對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關(guān)等可調(diào)組件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求,若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié),應(yīng)放在PCB上方便調(diào)節(jié)的地方。若是機(jī)外調(diào)節(jié),其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。應(yīng)留出PCB定位孔及固定支架所占用的位置。位于PCB邊緣的元器件,離PCB邊緣一般不小于2mm; ⑤PCB在機(jī)箱中的位置和方向。應(yīng)保證發(fā)熱量大的器件處在上方,I/O驅(qū)動電路盡量靠近PCB邊; ⑥晶振要盡量靠近1C,且布線比較粗;晶振外殼接地;每個1C的電源適配器引腳要加旁路電容(一般為0.1uF)和濾波電容(10~100uF)。如有可能,在PCB的接口處加RC低通濾波器或EMI抑制組件(如磁珠、信號濾波器等),以消除連接線的干擾,但是要注意不要影響有用信號的傳輸。
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| 發(fā)布時間:2019.06.03 來源:電源適配器 |
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