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電源適配器PCB設(shè)計(jì)流程

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電源適配器PCB設(shè)計(jì)流程

在電源適配器的設(shè)計(jì)工具中，PCB布局有專(zhuān)門(mén)的布局軟件，布線也有專(zhuān)門(mén)的布線軟件，兩者之間沒(méi)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(jì)中的應(yīng)用，布局和布線已越來(lái)越一體化，并成為設(shè)計(jì)過(guò)程的重要組成部分。
PCB的設(shè)計(jì)從確定板的板材、板厚和尺寸大小開(kāi)始。

板材選用時(shí)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(shù)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(wú)起泡。環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(lái)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(lái)選取。常見(jiàn)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(guò)塑料導(dǎo)線或金屬隔離線進(jìn)行連接，但有時(shí)也設(shè)計(jì)成插座形式，在設(shè)備內(nèi)安裝一個(gè)插入式PCB要留出充當(dāng)插口的接觸位置。對(duì)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(jì)時(shí)還要綜合考慮電磁兼容及電磁干擾、串?dāng)_、信號(hào)延遲和差分對(duì)布線等高密度設(shè)計(jì)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(jì)方法和思路尤其重要。
PCB設(shè)計(jì)的主要步驟如下所示。
第1步：系統(tǒng)規(guī)格。在PCB設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首先要規(guī)劃出該電子設(shè)備的各項(xiàng)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(duì)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(gè)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(jí)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(mǎn)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(zhǎng)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(jì)通常由CAD（計(jì)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(jì)。后續(xù)設(shè)計(jì)步驟的所有數(shù)據(jù)都是通過(guò)CAD系統(tǒng)從原理圖產(chǎn)生的。
第6步：初步設(shè)計(jì)的仿真。為了確保設(shè)計(jì)出來(lái)的電路圖可以正常工作，必須先用計(jì)算機(jī)軟件仿真一次。這類(lèi)軟件可以讀取設(shè)計(jì)圖，并且用許多方式顯示電路的工作情況。這比起實(shí)際做出一塊樣本PCB，然后用手動(dòng)測(cè)量的效率要高得多。
第7步：建立元件庫(kù)。PCB設(shè)計(jì)流程中的這些工具必須提供每個(gè)元件各種各樣的信息，以便完成每個(gè)步驟。這些信息將進(jìn)入一個(gè)庫(kù)或一套庫(kù)，每個(gè)元件都有一個(gè)條目。其中所需的信息包括：
.元件封裝類(lèi)型，如通孔、QFP、DIP；
.元件尺寸、引腳間隔、引腳尺寸、引腳編號(hào)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(lái)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(guò)層數(shù)越少（這也同時(shí)減少導(dǎo)孔的數(shù)目）越好。
第9步：滿(mǎn)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(duì)所有信號(hào)層的銅傳輸線，依照間距和長(zhǎng)度規(guī)則連接并進(jìn)行合理調(diào)整。它通常包含對(duì)特殊信號(hào)的交互性布線和其余部份的自動(dòng)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(guò)此項(xiàng)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(hào)、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(jì)歸檔。一旦所有制造數(shù)據(jù)創(chuàng)建完成，該設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)和所有制造數(shù)據(jù)文件要存儲(chǔ)在光盤(pán)或其他存儲(chǔ)介質(zhì)中，方便日后使用中的更改和丟失及破壞時(shí)的進(jìn)行備份。

PCB布局設(shè)計(jì)
為了設(shè)計(jì)質(zhì)量好、造價(jià)低的PCB，應(yīng)首先考慮PCB的尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；PCB尺寸過(guò)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(zhǎng)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(wèn)題
（1）PCB布局原則
在PCB設(shè)計(jì)中，布局是一個(gè)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(jì)成功的第一步。在布局時(shí)可根據(jù)走線的情況對(duì)器件進(jìn)行再分配，將兩個(gè)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(jì)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(jì)能同步起來(lái)，同時(shí)對(duì)模擬的有關(guān)信息進(jìn)行更新，使得能對(duì)電路的電氣性能及功能進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證。
PCB布局設(shè)計(jì)前，首先需要對(duì)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(duì)各部件的位置應(yīng)合理、仔細(xì)考慮，主要是從電磁場(chǎng)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(duì)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(shí)鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)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(dòng)器件時(shí)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(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。放置器件時(shí)要考慮以后的焊接，不要太密集，以每個(gè)功能電路的核心組件為中心，圍繞它來(lái)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(shí)兩個(gè)焊盤(pán)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(duì)于1/4W以下的電阻平放時(shí)，兩個(gè)焊盤(pán)的間距一般取4/10英寸，1/2W的電阻平放時(shí)，兩個(gè)焊盤(pán)的間距一般取5/10英寸；二極管平放時(shí)，對(duì)于1N400X系列整流管，一般取3/10英寸；對(duì)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(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的電位器，順時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)則輸出電壓升高，逆時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)輸出電壓降低；在可調(diào)恒流充電器中，電位器應(yīng)為順時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)電流增大，逆時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)電流減小。電位器安放位置應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)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(jì)PCB時(shí)，1C器件盡量直接焊在PCB上，少用數(shù)1C座。在使用IC座的場(chǎng)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(gè)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(gè)側(cè)面，不要過(guò)于離散。

2.板上器件布局
器件布局的第一個(gè)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(kāi)放置。完成這個(gè)任務(wù)有兩個(gè)準(zhǔn)則：一是將電路中的器件分成兩大類(lèi)，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(lèi)再分成三個(gè)子類(lèi)，即純數(shù)字、純模擬和混合信號(hào)，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(kāi)關(guān)、連接件之類(lèi)，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(huì)被誤移動(dòng)。
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(lèi)型的改變而變化，即同類(lèi)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(cè)。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?xún)?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(shí)，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(shí)接觸波峰焊料。同時(shí)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(guò)多，不得已要超出5mm范圍時(shí)，可以在板的邊緣加上5mm的輔邊，輔邊開(kāi)V形槽。
第5步：PCB上若同時(shí)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(kāi)放置，隔離距離與要承受的耐壓有關(guān)。通常情況下，在2000kV時(shí)板上要距離2mm，若要承受更高的耐壓測(cè)試，在此之上距離還要加大。例如，若要承受3000kV的耐壓測(cè)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(huì)在PCB上的高、低壓之間開(kāi)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(wèn)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(hào)部分、高速數(shù)字電路部分、噪聲源部分（如繼電器、大電流開(kāi)關(guān)等）合理地分開(kāi)，使相互間的信號(hào)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(shí)，較小的元器件在波峰焊時(shí)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(pán)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(shí)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(shí)手不易觸及的地方。
③質(zhì)量超過(guò)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(wèn)題。熱敏組件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱組件；
④對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開(kāi)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(dòng)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(gè)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(hào)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(hào)的傳輸。

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| 發(fā)布時(shí)間：2019.06.03    來(lái)源：電源適配器
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