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電源適配器PCB設計流程

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電源適配器PCB設計流程

在電源適配器的設計工具中，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)建技術及3D板在PCB設計中的應用，布局和布線已越來越一體化，并成為設計過程的重要組成部分。
PCB的設計從確定板的板材、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)濟指標等方面考慮，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械負荷來決定，多層PCB總厚度及各層間厚度的分配應根據(jù)電氣和結(jié)構性能的需要及覆銅箔板的標準規(guī)格來選取。常見的PCB厚度有0.8mm、1mm、1.6mm、2mm等。還應考慮印刷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線或金屬隔離線進行連接，但有時也設計成插座形式，在設備內(nèi)安裝一個插入式PCB要留出充當插口的接觸位置。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設計時還要綜合考慮電磁兼容及電磁干擾、串擾、信號延遲和差分對布線等高密度設計因素，所以布局布線的約束條件每年都在增加。因此掌握先進必要的PCB設計方法和思路尤其重要。
PCB設計的主要步驟如下所示。
第1步：系統(tǒng)規(guī)格。在PCB設計前，設計團隊首先要規(guī)劃出該電子設備的各項系統(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，并標示出功能方塊間的關系。
第3步：對PCB進行系統(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或多總線技術的系統(tǒng)，PCB尺寸是有標準的。在這種情況下，系統(tǒng)的分區(qū)、元件的封裝技術等均需滿足該標準PCB尺寸。PCB的最終成本，往往體現(xiàn)在層數(shù)及符合標準生產(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準面積，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)、技術已經(jīng)明確，就可以生成原理圖和元件的詳細連接了，原理圖和框圖設計通常由CAD（計算機輔助工程）系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)允許工程師在終端進行設計。后續(xù)設計步驟的所有數(shù)據(jù)都是通過CAD系統(tǒng)從原理圖產(chǎn)生的。
第6步：初步設計的仿真。為了確保設計出來的電路圖可以正常工作，必須先用計算機軟件仿真一次。這類軟件可以讀取設計圖，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（這也同時減少導孔的數(shù)目）越好。
第9步：滿足高速網(wǎng)絡規(guī)則。利用軟件可以檢查各器件擺設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準的檔案，如Gerber文件，Gerber常用的標準規(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：設計歸檔。一旦所有制造數(shù)據(jù)創(chuàng)建完成，該設計的數(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行備份。

PCB布局設計
為了設計質(zhì)量好、造價低的PCB，應首先考慮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布局的原則及應注意的問題
（1）PCB布局原則
在PCB設計中，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，因此可以這樣認為，合理的布局是PCB設計成功的第一步。在布局時可根據(jù)走線的情況對器件進行再分配，將兩個器件進行交換，使其成為便于布線的最佳布局。在布局完成后，還可將設計文件及有關信息標注在原理圖上，使PCB中的有關信息與原理圖一致，以便今后的建檔、更改設計能同步起來，同時對模擬的有關信息進行更新，使得能對電路的電氣性能及功能進行板級驗證。
PCB布局設計前，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；對各部件的位置應合理、仔細考慮，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行布局。應把相互有關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，輸入和輸出組件應盡量遠離。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路。

（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)點是組件安裝的機械強度較好。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。電位器安放位置應當滿足整機結(jié)構安裝及面板布局的要求，應盡可能放置在PCB的邊緣，旋轉(zhuǎn)柄朝外。
②1C座。在設計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）進出接線端布置
相關聯(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。完成這個任務有兩個準則：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、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)的流水線和進行波峰焊時，要提供給導軌槽使用，盡量保證元器件的兩端焊點同時接觸波峰焊料。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。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、大電流開關等）合理地分開，使相互間的信號耦合最小。
第7步：當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排列在前面，先進入焊料波，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，輸入和輸出組件應盡量遠離；
②某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應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，應當用支架加以固定，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，應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題。熱敏組件應遠離發(fā)熱組件；
④對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關等可調(diào)組件的布局應考慮整機的結(jié)構要求，若是機內(nèi)調(diào)節(jié)，應放在PCB上方便調(diào)節(jié)的地方。若是機外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機箱面板上的位置相適應。應留出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在機箱中的位置和方向。應保證發(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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