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开关电源PCB布板要领(二)

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nc965
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  • 2017-5-31 11:10:55
原贴:【三圈两地】开关电源PCB布板要领

关于开关电源PCB布线,还有几个要领不断有人追问,单独开贴补充一下(此贴是讨论贴,欢迎大家踊跃发言):
【2】楼:关于间距问题
【3】楼:关于PCB散热设计问题
【21】楼:关于级联布线问题
【    】楼:关于EMC布线的特殊性

nc965
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  • 2017-5-31 11:15:50
 
1、关于间距问题
还是那句口号:安全第一,任何情况下都是安全第一。
对于电源,安全就是安规,对于PCB,安全就是间距。
要谈开关电源PCB布线的要领,首当其冲的就是间距,但是有多少人真正领悟,值得怀疑。
我觉得,对于每个画PCB的人(搞电源的人)都应该追问自己一句:你真正领悟了吗?确信没看走眼?
nc965
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  • 2017-6-1 20:16:15
 
此图是一款最前沿的 Buck-PFC 恒流芯片的 DEMO 板上抄下来的,试试你的眼水,能看出什么问题?


nc965
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  • 2017-6-2 08:19:22
 
很多人之前可能是搞数字电路、模拟电路过来的,那个布线走通就行,自动布线也是常见的。这些人来搞开关电源,没有找到要领时,那是相当苦逼的。比如这位兄弟,恁是搞不明白:
MOS管栅源击穿的可能性原因及相应的处理办法
要给他讲清楚,也很困难,现在把我的相关跟帖摘录于此:

通过你零零碎碎提供的信息,问题基本上暴露完了,可以找到问题的根源了。
1、要求得别人的帮助,一定要把问题描述清楚,提供的信息要足够,不能让想帮你的人去猜。
2、让想帮你的人把基本原理从头到尾都给你一个人讲一遍也是不礼貌的。起码打字是要费力气的。
3、你的问题主要是布线间距不够,之前给了一个间距算式,每百 V 电压减半得到 mm
4、你给出一个局部的 PCB,已经大量出现间距不够和严重不够的问题,还有尖端放电的,一定是要炸鸡的,无能幸免。
5、即使间距够了,GS过压保护措施还是要采取,防静电的(加电阻)、防冲击的(加钳位),防米勒的。。。。视情况而定。
6、你现在首先要做的,不是了解GS原理、不是去追究需不需要加R,而是了解电路基本原理、芯片基本原理,找到各个节点之间的电位差,然后按第3项提示办理。

建议先解决 PCB 间距问题,这个不能对付,其他问题都可能是这个问题引起的。
任何其他问题,都有可能是 PCB 布线间距不足引起的,在你没有排除这个基本 BUG 之前,谈论任何其他问题都是没有意义的。
有的人有点另类经验,多数是其他地方感冒的原因,但你现在不是感冒,而是已经中弹倒地,靠民间治疗感冒的偏方是救不了你的。明白?
你中弹倒地,生命垂危之际,你呼吸不正常,一定不是肺病的原因,血压不正常,一定不是糖尿病的原因。你把糖尿病的病历拿出来研究,是救不了你的。


U4 下面不能走线,两边是高压,500V,2.5mm,还没有整明白?
U4 是自举,两排引脚之间是高压,耐压 600V,实际多少 V 要分析拓扑极端工况得出,一定不是你测试的 200V。
光耦芯片,也是类似的问题。两排引脚之间的间距,是用来抗高压的,中间不能走线,是规矩。
这些基本规矩都没有搞清楚,远不能谈论其他问题。
年轻不是问题,悟性多少要有点才行,人家一点就明白,你弄了几个星期又回到原地。
问题在于,你重新画板,也得知道哪里要保持多少间距才行,我感觉你还没有领悟,重新画也可能无济于事。
先领悟,读懂拓扑的含义
Buck 是最简单的拓扑,它只有 4 个节点,你要搞清这 4 个节点之间的电压关系。具体电路中各种元件、任何其他节点,凡是与某个节点的电压差在 25V 以内的,都划归到这个节点,4 个节点之间的间距由其之间的可能最高电压决定,这样你的 PCB 看上去就是 4 大块,有明确的划分。

4个节点,相互之间就有6个关系:
VAD=Vin_MAX
VAB=Vin_MAX+尖峰
VBD=Vin_MAX+尖峰
VBC=Vin_MAX+尖峰
VCD=Vout_MAX    注:输出可能开路,这时电压是多少?
VAC=VAD-Vout_MIN   
注:输出可能短路,这时 Vout=0
每个节点之间的电压都要心里有数,才能干好这活。这不是什么高难的事,是基本功。

一个布线最紧张的 Buck 例子(球泡灯):


你现在要做的是,划分这4大块,拉开间距。如果还有其他拓扑,比如有源软开关,也要找出关系,分成块块。
400V 就应该保留 2mm间距,此外还有一个基本间距(比如 0.254mm),意思是(建议)25V内的电压可以算是一个电压等级,按基本间距布置
以 25V 为准,25V 以内算一块,不管啥芯片,啥拓扑。
即使 25v 以内,也不能在下面走线的有:金属外壳的器件、比如金封的晶振、电解电容、变压器磁芯、金封的管子,金属端子暴露在外的器件(直插电阻、保险丝等),金属结构件(散热器、固定螺栓等)。
对于每个分块,可以在板上画(如上图白线一般的)分割线分割线敷铜中间穿过,不能切断任何敷铜,哪怕线用细点。顶层、底层分别画,要形成闭合图形。画完以后,把线加粗到比如 2mm,把敷铜挤出去,就可以了。
这个分块和间距,不是在绘制 PCB 时才决定的,在画出电路图、理解拓扑含义的时候就应该分得清楚明白,感觉糊涂时,在电路图上也是可以事先勾勒出这些分块的,才开始绘制 PCB。
nc965
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  • 2017-6-15 09:26:34
 
关于间距,我们的口号是:安全第一
但这还不全,完整的表达是:安全第一、预防为主
预防什么?
预防受潮、积尘、冰霜、老化、酸盐污染、小微生物入侵、、、
什么叫为主
也就是设计之初你就应该预见、考虑的主要问题。新板能不能用不重要,今后在上述恶劣环境中能不能用才是你的设计重点。
nc965
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  • 2017-5-31 11:16:35
 
关于 PCB 散热设计
以下摘自【60W 12V5A效率〉92%无散热片低成本】的跟帖:

这个贴主题是较大功率小体积无散热片电源,最需要关注的就是效率和散热策略,也是本帖的看点、亮点。
一开始看见这个板,即感觉有些问题,为此跟了两楼,38楼说的是整机效率,62楼说的是低压电流应力,也就是热,算是关注点。
关于无散热片如何进行热设计,有些策略,需要注意,但楼主展示的效率颇高,这在很大程度上可以缓解热的问题。
于是,尽管感觉板上还有优化余地,但楼主没有讨论的意思,就没打算跟帖。现在其他网友有兴趣,那就说说原本就想说的一点体会:
基本观念:
87楼:
从某种意义上说,开关电源的设计,更多的是热设计。
89楼:追究到最后,就是温度了。
91楼:如何降低温度:1、提高效率,2、散热
这不是打太极,这是开关电源设计的精髓,但凡优秀的设计,这两方面是极其讲究的。

现在楼主效率没问题,就不谈效率,只谈散热,没散热片,就不谈散热器散热,只谈板上散热:
关于PCB布局与散热的关系,我之前没讲过(估计王总最近的专帖里应该有说,
PCB布局走线经验交流 )。
关于这个问题我的主要观念是:
1、板上任意一个细节的PCB局部,如果向任何方向再挪动哪怕一点点都会丧失某种(间距、载流、散热、EMC)合理性,都不允许,那么,这个布局才是最合理的。
2、任何间距的敷铜,其中最小间距决定其安全距离,其他任何大于最小间距的间距都没有意义(都不会改善由于这个最小间距决定的安全距离问题)。
3、尽可能追求热景象的均衡性。这是温度梯度问题、空间分布问题、热传递问题。
4、搞掉最高温升对象,总是合理的、总是必要的。
这些观念落实到这个板,就有以下可以进一步改进(散热)的地方:
1、硅桥、前后MOS这三个对象温升最高,这是对此板第一印象就预料中的、楼主没充分考虑的地方,也是需进一步优化的地方。
2、这个功率全电压,已经不适合用贴片硅桥了,它是最高温升,首先要搞掉。建议用分离元件,尽可能分散、均衡、主要靠敷铜散热来布置。
3、原副边安规间距,以光耦焊盘间距为最小,其他地方应保持(没必要增加)这个间距,以便尽可能增加两只MOS散热面的敷铜面积以利散热。这个增加尽可能是双面的,尽可能用过孔传递到两面散热。这里需要注意的是顶层的敷铜,要考虑磁芯可能是导体并可能接地而涉及的安规距离问题。还需注意过孔直径及密度,以不影响焊接工艺为度。
4、以上安规间距只是一个方向,在两只MOS散热面的其他3个方向上,也要尽可能(双面)增加敷铜散热面积,任何一点点增加敷铜散热面积的机会都不要放弃,任何一点点妨碍增加面积的因素都要追究能不能再挪一点?要挪就挪到极限的意思。
5、挪的过程中,要考虑上述三个对象的温升情况,调整散热面积的
相对大小,目的是热均衡,并根据总体温升情况确定其绝对大小(不行时增加PCB面积的意思,PCB板就是散热片的意思)。
6、挪的过程中,要考虑板上其他热源的热传递问题、散热通道问题,以及每个散热面的噪音影响(但不必过于纠结于此,散热是主要矛盾的意思)等问题。

PCB散热设计实例:
与楼主案例的热结构相似:全电压50W,板面(硅桥、前后MOS)三个主要热对象,效率94+%,非隔离



散热面积已经挪到极限,每一毫米敷铜都利用完(除了间距就是敷铜):


手工焊的:


最低电压时,温升小于40度,搞掉了最高温升,热景象很均匀:


一句话,你要靠PCB散热,你就得仔细讲究这些事,不是说随便敷个铜、仅完成电气连接就能搞定的。


再看看楼主的板(一个局部),有关问题如图:
08.jpg

显然,每个方向上都还有很大的挪动空间。
admin
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管理员
  • 2017-5-31 11:34:05
 
感谢李版再次讲解。
peng2016
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  • 2017-5-31 15:12:48
 
李工请教您下如果这个加大散热铜皮跟dv/dt回路追求最小面积的原则相冲突的情况要怎么取舍??
nc965
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  • 2017-5-31 17:57:38
 
先满足间距,然后是散热,再然后才是其他问题。
peng2016
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  • 2017-5-31 18:36:46
 
期待李工讲解
nc965
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  • 2017-5-31 20:05:37
 
这个没啥好讲的,任何时候,安全第一,可靠性第二,其他事情靠后。
peng2016
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  • 2017-6-1 08:38:52
 
多谢~李工
lclbf
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  • 2017-5-31 19:19:11
 
MOS管的D极大面积铺铜会布会影响EMI的辐射? TO-220封装的MOS管,加大铺铜面积对散热效果帮助是不是也很明显?
nc965
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  • 2017-6-1 08:51:41
 
对EMl的影响肯定是有的,但事情有个轻重缓急,轻重缓急的原则见10楼,这不仅是做开关电源的原则,干啥事也是这原则(你就是啥事也不干,睡大觉也要找个安全可靠的环境)。
再次强调:
安全第一,可靠性次之,余再次之。

zlx305
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  • 2017-6-1 15:04:55
 
其实EMC本来就是安全的一部分,在设计初期就要考虑清楚,如果到后面过不了麻烦很大,还不如加一个散热器呢
nc965
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  • 2017-6-1 17:20:31
 
建议还是不要把太多的因素(比如EMC)也归结为安全的一部分为妥,否则当面临某些两难选择时,你可能会舍去真正的安全利益。
安全就是人身安全,涉及人身伤害甚至生死。涉及触电、打火、燃烧、爆炸、中毒这些危险的事情。在这些危险威胁下,其他任何事情都是不重要的,EMC更不值一提,人的生命才是最重要的。一个充电器烧掉几层楼的案例屡屡发生,这与EMC多半没有关系。

cyx7610
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  • 2019-1-19 17:10:55
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要善于积累经验。
yuhua123
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  • 2017-5-31 11:24:16
 
赶上版主开讲了,学习学习!
caichengchao
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  • 2017-6-1 15:35:24
 
顶帖
飘飘飘
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  • 2017-6-1 15:49:59
 
又有免费培训课学了,搬个凳子静静的听。
woodlynn
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本网技工
  • 2017-6-20 18:06:38
 
学习中.......
nc965
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  • 2017-6-23 09:23:24
 
关于级联布线问题
对了,大哥,您的帖子二里,还没讲到级联呢啊,我这个是级联的
两个办法:
1、各自做好三圈两地,然后各自的拓扑接地中心相互最短路径连接
2、各级拓扑的拓扑接地元件接地优先布置,形成一个星形连接的系统接地中心

大哥,我级联,三部分,前级,后级,还有反激,这三部分的位置关系需要考虑吗?还是先做好个自三圈两地,然后再布局?
给你讲了两个办法,都试试
后者肯定更安逸一些,但难度会大一些


dxwang128
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本网技师
  • 2019-4-11 15:01:18
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好文,学习了
muzhengdong
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副总工程师
  • 2018-3-11 08:42:02
 
走线问题,导致一系列问题
sachiewang
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高级工程师
  • 2018-3-14 09:25:24
 
学习了
zxy_20120225
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副总工程师
  • 2018-9-15 10:50:30
 
学习一下
xiaowu274010552
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  • 2019-1-18 15:28:04
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感谢大神的分享
Jerrylau
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本网技师
  • 2018-12-13 08:13:00
 
打算认真地静下心来把这个系列学习完,非常谢谢版主的知识讲解
Jerrylau
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本网技师
  • 2018-12-13 08:14:15
 
看得我心潮澎湃,收获太多了!
yizhi6666
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禁止发言
  • 2018-12-20 11:44:59
 
提示: 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽
xulin
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  • 2019-7-15 14:19:15
  • 倒数7
 
李工,您好!
向您请教关于布局的问题:
1、对于硬开关半桥变换器,初级的两个分压电容算是脉冲电流(Ip)环路的一部分吗?还是只有输入滤波电容和上下两个管子构成脉冲电流回路?
2、还是对于硬开关半桥变换器,变压器次级有中心抽头,使用全波同步整流方式,是否是次级绕组和两个同步整流管构成了脉冲电流回路呢?如何规避由于滤波电感的存在而使返回的地线比较长的问题?


nc965
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  • 2019-7-18 09:20:35
  • 倒数5
 
1、对于硬开关半桥变换器,初级的两个分压电容可以算是脉冲电流(Ip)环路的一部分,(4个器件)最小化布局。如果输入滤波电容上可以并联一只CBB电容,用它所形成的(3个器件)环路比前者更短捷,则以后者为佳。
2、脉冲电流回路分为两种,脉冲电流回路(不经过电感)和拓扑电流回路(经过电感),对于桥式变换器变压器次级中心抽头全波整流方式的拓扑,次级绕组和两个同步整流管与拓扑电感(不是滤波电感)构成的是后者(前者呢?),但也要环路
(4个器件)最小化布局。其中,由于电感、变压器这两个器件出线是很灵活的(可以飞线),这就只剩下电容和整流管的最短连接,且输出从电容根部引出(无论输出端子离它多远)。


xulin
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  • 2019-7-18 10:30:52
  • 倒数3
 
感谢李工悉心指导!
对于1:由于输入滤波电容体积较大,因此我在大电容的基础上并联了两个小容值的瓷片电容,其中一个小电容与两个管子形成环路最短,另外一个小电容与两个分压电容形成环路最短。这样合理吗?
对于2:您括号里的(前者呢?),我的理解是次级绕组和两个整流管这个圈是一个脉冲电流回路,这样理解的原因是一个管子关断时,流经它的电流会迅速转移到另外一个管子中,也就是说dI/dt比较大,如果这个圈比较大,寄生电感值比较高,当同步整流管关断时形成的电压尖峰势必很大,因此要尽最大努力使这个圈很小。不知道我这样理解对不对?
nc965
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  • 2019-7-20 07:21:07
  • 倒数1
 
1:你这样是不合理的,并联的电容一般用CBB电容(CL也行),容值大约比电解小2个数量级,不能太小,瓷片电容容值太小没什么作用。
半桥的分压电容环路是拓扑电流回路,最小化布局时要并电容的话,需要一个与分压电容大致等容值电容才起作用。
2:括号里的(前者呢?)是指桥式变换器副边脉冲电流回路的缺失(拓扑缺陷),因此这类拓扑副边二极管反压尖峰较大。这件事主要靠努力提高副边两个绕组之间(而非与原边之间)的漏感(双线并绕)来处理,而不是环路。在环路上只能处理上述拓扑电流回路,全波整流就变成了3个器件(2个二极管和一个电容)的率先最紧凑布局,再与感性器件、端子连接。
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  • 2019-7-16 10:57:47
  • 倒数6
 
老师您好:
       请问您有相关形成资料的学习文档吗?可以上传一份吗?很想学习,谢谢您!
nc965
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  • 2019-7-19 16:36:43
  • 倒数2
 
好的,谢谢老师
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