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原创 第十期概念组

高压大电流电源产品Layout知识点总结

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清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-16 16:30:29
如果楼主的作品对你的研发学习和知识储备有了很大的帮助,欢迎点击活动页面投上你宝贵的一票吧!   

专职做Layout也快一年半了,陆陆续续参与了公司的几个项目,从几十瓦到一百多千瓦,学习了许多,也成长了许多,正好21世纪电源网举办这个活动,我也总结一下这一年半的知识点!


Layout在很多人看来就是一个拉线工,干苦力的,但是我接触几个案子之后,发现Layout其实也没有想象中的那么简单,Layout对一个产品来说,说重要也重要,说不重要也重要,因为Layout做不好,它可以让产品不工作呀!



2f48acb1add6ea01.jpg

看在她这么可爱的份上,帮我投票呗! http://huodong.21dianyuan.com/originaldiy2018
世纪电源网-九天
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超级版主
  • 2018-11-16 16:46:11
 
镇楼图好评~~欢迎楼主分享!催更催更
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-16 16:51:41
 
画PCB之前,首先要拿到以下东西:

1.从硬件工程师手中拿到原理图文件;

2.从结构工程师手中拿到结构图(DXF文件);

3.从安规认证工程师手中拿到电气间隙和爬电距离标准;

4.了解PCB厂、SMT、DIP生产工艺;

画完PCB之后,要输出PCB原文件,Gerber文件,Pick Place文件。
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-16 20:47:36
 
接下来,就从以上四个方面来总结我一年半的Layout时光,痛苦并快乐着!

我想从我最近遇到的问题开始讲起!也就是第四点,关于PCB板厂、SMT、DIP生产工艺!

走高压,大电流功率板PCB要求板厂层间绝缘距离0.4mm(层间指的是PCB板层叠,层与层,特别是第三层与第四层,板厚2mm,四层),可承受2kV的耐压是怎么来的?和系统的电压到底有没有关系?我司产品的系统工作电压是600V,1000V,1500V

因为我司产品的PCB只要求层间绝缘间距0.2mm,虽然已经让PCB板厂去做耐压测试,但是我想知道这到底是安规要求,还是只是功能绝缘就行?

经过多方面询问,发现很多产品都要求0.4mm的间距,比如OBC,变频器!

还有一个问题就是PCB板内层走线的绝缘距离要小于顶层和底层,依据出自哪里?
wangdongchun
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副总工程师
  • 2018-11-16 20:56:07
 
这些年楼主的感触应该良多吧  期待分享
XIAOTU80
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版主
  • 2018-11-17 10:40:58
 
如果板子上面2个裸露的金属过孔间距最小多少,就可承受2kV的耐压了?这个有研究吗
挨得最近的边沿间距
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-18 23:16:57
 
我想先从PCB的标准说起

IPC-A-600,Acceptability of Printed Boards ,印制板的可接受性,IPC-A-600可以查到铜厚的要求,比如内层2oz的实际完成铜厚是大于等于55.7um ;

IPC-2221, Generic Standard on Printed  Board Design,印制版设计通用标准,IPC-2221可以查到PCB板上导线的载流能力;

UL796,Printed-Wring Boards,印制线路板,美标  ;

文件超过5M,传不了附件,很遗憾!  想获取可以加QQ群,电力电子技术与新能源:9057246684。
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-19 11:14:16
 
接触的PCB大概有四种类型,功率板IGBT,控制板DSP,液晶板ARM,监控板GRPS,WIFI板。主要以四层板为主,不像OBC由于体积的限制,要做6层的PCB。还有就是带FPGA+DSP的三核控制板,要做6层板,当然这种六层板我没有见过,欢迎大神科普层叠结构

功率板IGBT,高压大电流,四层板,做2mm板厚,值得注意的就是要根据电流大小要规定铜厚的大小,比如内层1OZ,表层2OZ。

控制板DSP,液晶板ARM,四层板,做1.6mm板厚,值得注意的就是GND和VCC平面的选取,一般第二层是GND,第三层是VCC,这个是有讲究的,砖家说,这样的层叠构成板间大电容,铜箔低电感,低电阻,同时多层板的这种结构对第一层和第四层所产生的辐射骚扰有一定的抑制作用。
微信图片_20181119160346.jpg

监控板GRPS,WIFI板,四层板,值得注意的就是要做沉金,因为有金手指工艺,还有一个重要的地方就是天线的走线要做50欧姆的阻抗匹配,说到阻抗匹配有专门的计算软件Polar SI9000,这个没必要自己算,直接丢给板厂就好了,

原因如下:就算你按照目标特性阻抗要求,精心计算了对应的线宽线距和层叠结构,并严格按照该线宽要求来布线,将制板要求和制板文件发给板厂,结果却然并卵……


因为你的叠层结构和要求控制的阻抗线宽、线距到了板厂那里,板厂还需要进行重新计算并结合自身的材料和工艺情况进行补偿和调整,即使是已经量程并验证过的PCB,如果换了新的板厂生产,也可能面临着需要进行线宽、线距和层叠结构的调整。(摘自吴川斌的博客)

说到板厚,我想咨询一个问题,这个板厚有啥讲究么?因为测量过大厂(比如华为,阳光电源)的PCB功率板,板厚都有超过2mm,比如3mm,想请问一下,懂行的高手!
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-19 23:13:37
 
1.PCB板上的两条导线的电气间隙和爬电距离介绍过了,看11楼,然后就是功能绝缘,电压按照200V/mm算就可以了,如果是交流电压就算出峰值,然后再按照200V/mm来计算就可以了。

2.PCB板上的导线的宽度,有说内层1oz铜厚,1mm线宽可以通过1A电流,也又说外层1oz铜厚,1mm线宽可以通过1A电流,这个实际上使用都会留有很大的裕量,一般走电流的电源线都会走的很粗。值得注意的就是内层的载流能力没有表层好,因为外层可以二次电镀铜来加厚,所以一般折半来算载流能力,在下面推荐的几个小软件可以很明显的计算出来。导线的载流能力跟铜厚,温升,内外层有关。

3.PCB板上的过孔能过多大的电流,有说0.5mm走1A电流,也有说1mm走1A电流,网上也有具体的计算公式,但是我觉得实际上使用都会留有很大的裕量,一般涉及到过孔走电流,这肯定是电源线,走大电流的时候,我一般也肯定会多打几个过孔!过孔的载流能力跟过孔的孔径,孔壁铜厚(一般20-25um)和温升有关。


这里推荐几个常用的小软件:ProPCB,PCBTEMP,也有在线计算的工具,比如EDA365
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-20 10:29:22
 
然后在介绍PCB板的其他几个重要参数:

TG值,简单一点说就是PCB板的温度,比如TG150,就是PCB板能承受150℃的温度,值得说的是,我们60kw逆变器的功率板原来使用的是TG130的,后来由于温升的问题都切换成TG150了。说一个问题,制作PCB的过程中有一个工艺烘烤很重要,烘烤的时间不够,可能会导致PCB板发黄。当然PCB发黄肯定是由于温升的原因,我们主要是继电器,当然也可能是导线的宽度不够,器件之间的距离不够导致的。

CTI值,Comparative Tracking Index ( CTI ),相对漏电起痕指数 ,一般这个参数在FR-4的板材中取的是175,这个值可以影响爬电距离,举个例子吧,在1500V的系统中,欧标爬电距离的加强绝缘要到30mm,如果提高CTI,可以降低爬电距离的要求。

板材的厂家(芯板或者PP,有KB,生益,南亚。
芯板FR4  
我们经常指的“FR-4”是一种耐燃材料等级的代号,它所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格,它不是一种材料名称,而是一种材料等级,因此目前一般电路板所用的FR-4等级材料就有非常多的种类,但是多数都是以所谓的四功能(Tera-Function)的环氧树脂加上填充剂(Filler)以及玻璃纤维所做出的复合材料。
PP半固化片
半固化片(Prepreg):一般由纤维增强材料浸渍热固性树脂后固化为B阶的片状材料,也称为粘结片、PP。
常见半固化片类型: 106、1080 、2313、3313、2116、7628 。(摘自硬件十万个为什么)

表面处理方式:网上百度一下,有很多种表面处理方式:沉锡、沉银、OSP(防氧化)、化学沉金(ENIG)、电镀金,每一种处理PCB表面处理方式都有不同的应用场景,高端数字电源里面一般常用的是无铅喷锡,见过大厂在PCB板上加上无铅的标识。还有就是GPRS通讯板用到了沉金工艺。
阻燃等级+UL标识+板厂的LOGO
UL94 V-0是PCB的阻燃级别。PCB阻燃等级由HB、V-2、V-1、向V-0逐级递增,一般PCB都是选择最高阻燃级别UL94 V-0,想知道具体的阻燃等级建议问度娘。

一般都会要求在PCB板上印上厂家的UL标识+厂家的LOGO

这里科普一个小技巧,我感觉是很实用的一个干货,就是可以通过印在PCB板上的UL标识可以查到PCB板厂
举个例子吧,有一次我发现我们的PCB有问题,然后就去问板厂,板厂一看,说不是他家的PCB,因为我们只有两家PCB板厂,我对其中一家的LOGO印象比较深,我说不是你家的是谁家的,板厂说他可以帮我查到是哪一家PCB供应商,当时就觉得很吃惊,后来才知道原因。
链接如下:http://database.ul.com/cgi-bin/X ... XT/1FRAME/index.htm

还有一方面就是我们经常会买友商的产品回来研究,知己知彼嘛,你懂的!
UL标识.PNG

清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-20 20:32:44
 
到这里,我再想请教一个问题,去PCB板厂审核,应该注意什么问题?欢迎大神指教!


比如电镀工艺(垂直电镀,龙门电镀),烘烤,钻头的使用?


清风慕竹
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LV6
高级工程师
  • 2018-11-21 23:49:10
 
我能想到的还有一个比较重要的就是层叠结构了:
我想说PCB叠构的设计对EMC的影响至关重要!说的是多层板,比如四层板,六层板等,当然EMC是玄学,我也只懂个皮毛,哈哈!

二层板的组成,只有TOP和BOTTOM:
二层板叠构.png
PP
Prepreg: 半固化片,又称预浸材料,是用树脂浸渍并固化到中间程度(B阶)的薄片材料,半固化片可用作多层印制板的内层内层导电图形的粘结材料和层间绝缘,在层压时,半固化的环氧树脂融化、流动、凝固,将各层电路粘合在一起,并形成可靠的绝缘层。

层与层之间的厚度,也就是绝缘距离就是由PP决定的,也就是我上个问题所问的绝缘距离到底是0.4mm还是0.2mm,是用一张7628的PP,还是二张7628的PP,当然PP的价格相对芯板来说是比较贵的!
PP厚度.PNG

CORE
Core: 芯板,芯板是一种硬质的,有一定厚度的,两面包铜的板材,是构成印制板的基础材料。标准的FR-4,两面包铜,可选用的规格可与厂家联系确定。

多层板
通常我们所说的多层板是由芯板和半固化片互相层叠压合而成的,而半固化片构成所谓的浸润层,起到粘合芯板的作用,虽然也有一定的初始厚度,但是在压制过程中其厚度会发生一定的变化。

通常多层板最外面的两个介质层都是浸润层,在这两层外面使用单独的铜箔层作为外层铜箔,外层铜箔和内层铜箔的原始厚度规格,一般有0.5OZ、1OZ、2OZ(1OZ约为35um或1.4mil)三种,但经过一系列表面处理后,外层铜箔的表面厚度一般会增加将近1OZ左右,内层铜箔即为芯板两面的包铜,其最终厚度与原始厚度相差很小但由于蚀刻的原因,一般会减少几个um。

多层板的最外层是阻焊层,也就是我们常说的“绿油”,当然它也可以是黑油、蓝油或者其它颜色,阻焊层的厚度一般不太容易准确确定,在表面无铜箔的区域比有铜箔的区域要稍厚一些,但因为缺少了铜箔的厚度所以有铜箔的区域还是显得更突出。

当制作某一特定厚度的印制板时,一方面要求合理地选择各种材料的参数,另一方面,半固化片最终成型厚度也会比初始厚度小一些,下图是一个典型的4层板叠层结构。

图片摘自硬件十万个为什么
四层板叠构.PNG






清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-22 19:50:13
  • 倒数10
 
功率板上还有一个重要的参数就是铜厚了,刚进接触的时候都不知道,不就内层1OZ,表层2OZ么,为啥有外层基铜厚度,外层完成铜厚,芯板铜厚,内层完成铜厚这么多的参数,这些参数的标准都可以在IPC-A-600上面可以查到。

如果想要弄彻底明白这个问题,你得详细了解PCB板的制作流程,因为PCB板上的线路都是腐蚀+电镀上去的!

铜厚标准.PNG

PCB铜厚的参考标准.pdf (850.96 KB, 下载次数: 4)
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-12-2 17:20:04
  • 倒数5
 
忘记还有一个重要的RoHS

RoHS是由欧盟立法制定的一项强制性标准,它的全称是《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》(Restriction of Hazardous Substances)。

PCB和RoHS不得不说的事
http://www.eetop.cn/blog/html/06/103806-56313.html
qlsxkql
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  • 2018-11-19 07:06:33
 
总结的不错,支持楼主。
h8f10
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副总工程师
  • 2018-11-19 19:09:19
 
电源Layout工程师不学安规真是奇怪。安规里写得清清楚楚的东西没什么好问的。安规这玩意儿就是,要么你满足我,要么你做实验证明你用更牛X的东西满足我。固体绝缘0.4mm,你觉得安规不行,太厚了,老子的PCB是外星材料打造的,0.1mm就搞定,那没什么好说,做实验证明就行了。

红色两问题其实是一个问题,你们有安规工程师你问他好了,这玩意儿来自于安规标准。
001.jpg 002.jpg

h8f10
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副总工程师
  • 2018-11-19 19:15:01
 
另外提一建议,即使板厂能够通过耐压测试,也不能证明5年后PCB还能通过测试,铜离子会扩散的。写安规的老外还是很牛X的。
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-19 19:32:23
 
专业,GB+4943.1-2011+信息技术设备+安全+第1部分:通用要求,谢谢解惑,那为毛认证公司没有对我们产品的PCB提出这个要求呢?安规照样过,机器照样在全球卖,可能遇到了假的认证公司,哈哈哈
h8f10
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副总工程师
  • 2018-11-20 09:27:34
 
这个看公司,我以前在大公司工作,十几年前,认证公司还看看PCB,拆解下变压器,到后来我们做认证都是自己做的,把结果交给认证方就可以了,你说这算不算假的公司,哈哈。
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-20 09:46:57
 
大神,都十几年的工作经验啦,还在在大公司,我也想去大公司,收小弟么
h8f10
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  • 2018-11-20 09:53:43
 
我都离开大公司好几年了,现在过得相当苦逼,
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-20 10:00:24
 
哈哈哈,感觉做硬件的苦逼,做Layout的更苦逼!!!
qlsxkql
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  • 2018-11-16 21:43:25
 
接触的还挺全面的。
XIAOTU80
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  • 2018-11-17 10:35:46
 
看到这里,我提个问题吧。
      输入和机壳地,要过绝缘耐压2KV,短脉冲小能量的冲击耐压5KV,短时间大能量的浪涌4KV,请问最小间距多少比较合适?
如果实在达不到这个间距,还有别的方法?比如开槽的话,留多少合适?
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-17 21:40:04
 
你这个不是要根据产品标准上查到的电气间隙和爬电距离(我司做的是光伏逆变器,所以要查的标准是欧标是IEC 62109,美标是UL1741,UL840)来的么,这两个值都是取的欧标和美标里面的最大值,值得说明的是,欧标里面有基本绝缘和加强绝缘,美标里面没有这个概念。我司是这样要求的,与大地PE相连接的网络必须满足电气间隙和爬电距离,爬电距离不够可以开槽,开槽但是也要满足电气间隙的要求!

举个例子,我司600V的系统,欧标要求对PE的的电气间隙基本绝缘是3mm,爬电距离的基本绝缘是3.2mm,美标要求电气间隙3mm,爬电距离6.3mm,综合以上,我们PCB中取电气间隙3mm,爬电距离6.3mm,如果爬电距离不够6.3mm,可以开大于1mm槽,但是必须满足3mm的电气间隙!

说到这个我想再提出一个问题,也就是关于功能绝缘的问题,听我司的安规认证工程师说,安规上查的是对PE大地和对液晶相关的网络要满足电气间隙与爬电距离,还有就是欧标里面对PE要求的是基本绝缘,对液晶通讯网络要求的是加强绝缘,也就是系统内部的电压认证公司是不检查的,那就意味这只要实现功能绝缘,只要满足200V/1mm就可以了?大家都是这么做的么?那么交流电压220V,380V,540V分别取多大的距离呢?是先把交流电压先转换为峰值,然后再按照200V/1mm来计算的么?
XIAOTU80
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  • 2018-11-20 13:25:55
 
测试的时候打多少耐压
清风慕竹
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高级工程师
  • 2018-11-20 15:05:42
 
听安规工程师说,直流侧,交流侧,液晶通讯的耐压是不一样,有2KV多(2121V),3KV,4KV多(4242V),貌似现在都打4K多耐压,都是过的。交流1500V对应直流2121V,交流3000V对应直流4242V,就是根号2的关系。
wangdongchun
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  • 2018-11-16 20:45:53
 
期待楼主更多详细资料分享
qlsxkql
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LV8
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  • 2018-11-16 21:42:44
 
欢迎楼主的工作经验分享给大家。我们也学习下。
deep_thought
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副总工程师
  • 2018-11-20 11:17:45
 
图片中的小姑娘,纤手直接抓住烙铁头在焊,这样真的可以吗?
h8f10
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  • 2018-11-20 12:33:20
 
那是个新闻,有照片的啊,哈哈。谁这么坏,还画成漫画了。
deep_thought
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  • 2018-11-20 13:10:38
 
应该不是工程师干的吧。。。
清风慕竹
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  • 2018-11-20 14:27:16
 
肯定是有领导来检查,哈哈哈
z443233785
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  • 2018-11-20 13:33:04
 
期待楼主大作,关注中
清风慕竹
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  • 2018-11-21 14:19:43
 
补充一个点:

如果是进入一家公司做Layout的话,最好可以看到如下几个文件:

PCB设计规范及Checklist

PCB安规设计规范

PCB工艺设计规范

PCB EMC设计规范

当然,一般的小公司是没有这么多的Layout规范文件的,毕竟中国也只出现了一个真正意义上的科技型公司(华为)
清风慕竹
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  • 2018-11-27 10:47:48
  • 倒数9
 
请教大家一个问题,什么产品需要尖端放电啊?为啥我司的逆变器的共模电感为啥不要求尖端放电呢?类似下图,这个图片是去PCB厂家审厂的时候看见的,网上说一般开关电源共模扼流圈两端或安规电容两端会加上这个,放电间隙,一种防雷的手段。

尖端放电.png

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deep_thought
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LV8
副总工程师
  • 2018-12-3 09:50:22
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这个放电尖是为了帮助过ESD和雷击测试,根据产品规格和使用场合的要求,如果需要可以加上这个。
如果你那个逆变器的ESD要求电压低,或者整个被绝缘外壳后者塑胶包住,没有裸露导电部件在外面,或者裸露部件在高处远离人体,等等因素,那有可能不需要考虑高规格的ESD。
清风慕竹
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LV6
高级工程师
  • 2018-12-4 20:30:41
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逆变器一般防雷直流侧都是压敏,交流侧是压敏加气体放电管,但是现在都学华为加入防雷模块了
huawei.png



清风慕竹
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LV6
高级工程师
  • 2018-12-4 21:32:22
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请教一个问题,大家有见过这个

菱形.png
TKpunk
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本网技工
  • 2018-11-27 11:24:31
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请问一下铜箔的散热与面积有经验公式吗?过孔的散热
清风慕竹
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LV6
高级工程师
  • 2018-11-27 13:53:51
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有小软件:ProPCB,PCBTEMP,也有在线计算的工具,比如EDA365

PCB走线载流
http://www.eda365.com/article-11-1.html
走线载流.png

过孔载流
http://www.eda365.com/article-12-1.html
过孔载流.png

frankhu
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LV6
高级工程师
最新回复
  • 2018-12-4 23:09:54
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写的不错,一直以来画好板都是发给板厂制作,PCB制作工艺了解甚少,楼主能否普及一下
靖哥哥
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高级工程师
  • 2018-11-30 11:34:24
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图片不错...哈哈
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