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漫谈“超薄型”开关电源的工艺设计!

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1
xyjflydream
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LV3
助理工程师
  • 2017-7-19 13:35:01
几年前市场上就开始有了宣称超薄电源产品,随着电子技术的飞速发展,人们日常生活中所使用的电子产品越来越趋向于轻薄、便携,最具代表性的要数笔记本电脑了,其性能在不断增强的同时体积也在不断缩小、日趋轻薄,其配套的电源适配器却依然笨重,但可算得上是屈指可数了,为什么呢?
超薄电源的基本构成特点
■细长的电解电容  
■超薄的磁芯
■高效率
高效率的一般方案
■BUCK PFC
■交错 交错PFC
■LLC 谐振
■SR同步整流
其实,电源实现超薄最大困难不是在元件的选用上,也不是在方案的选型上,而是在工艺的设计上。
为什么这么说呢?
一个超薄的电源生产出来,其制造成本将会占整个电源的50%以上,甚至更 以上,甚至更高…
下面将我个人在超薄电源工艺设计上的一些领悟分享给大家。
产品是几年前设计的一个全电压输入, 输出65W的笔记本适配器。
电源要做薄,几乎所有的插件元件都得倒下安装,要做到超薄,就得在尺寸上“斤斤计较” 了,甚至部分元件要做沉板安装工艺。
PCBA
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侧面
PCBA总高设计为10.5mm,电容采用φ 10mm 的,实际直径为10.2mm,预留 0.3mm的装配公差。
2.webp.jpg
正视图
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背视图
先看下EMC和输入滤波部分
4.webp.jpg
EMC滤波部分是单独在一块小板上,线路在小板上完成,因为此产品是过PSE认证(PSE对整流桥之前的电路距离都有要求),所以利用2个共模电感用三层绝缘线和铁氟龙套管飞线,可以减小布线难度。采用小板装配的优点是可以正常完成SMT贴片和插件作业,无需对电容和电感做特殊整脚成型。
再来看看 再来看看PCB PCB的 的LAYOUT
5.webp.jpg
EMC小板Toplayer层
6.webp.jpg
EMC小板Bottomlayer层
在EMC小板上有一个大焊盘用来提供 AC-N AC-N线的回路同时固定EMC小板,还有2个方孔,用来与主板组装,这样既可以固定EMC小板,也可以免治具组装。
7.webp.jpg
8.webp.jpg
输入滤波电容小板Toplayer层
9.webp.jpg
面隐藏BottomOverlay层,再看看
10.webp.jpg
可以看到中间2个电容的焊盘在Bottomlayer和铜箔是没有连接的。电流是从左边的2个大方焊盘输入到第1个电容,经过Toplayer层依次经过第2个电容和第3个电容,再到第4个电容输出的。可以有效利用电容减小线路纹波。
在以上小板组装设计时,需要考虑到PCB板的厚度及CNC钻孔和装配公差,一般在组装处的PCB不要铺铜和放置焊盘或过孔,防止PCB在制作过程中沉铜或电镀工艺影响板厚的组装公差,方孔长度也需考虑到CNC铣边的R角度,一般需留单边0.15~0.2mm(共0.3~0.4mm)的组装公差,否则会导致组装困难。
11.webp.jpg
次级输出滤波小板也是采用此方式安装。
平面变压器是实现超薄的一大利器, 因为平面变压器的AW值一般很小,所以一般不采用传统的BOBBIN做骨架来绕线,而采用多层PCB布线来替代铜线,但因为安规的需要,其次级的线圈仍然采用三层绝缘线绕制。为了方便绕制,采用2块多层板在其中间绕三层绝缘线,这样就不用附加绕线 BOBBIN了。
12.webp.jpg
平面变压器
这是一颗POT3309的平面变压器,采用原POT3311的CORE研磨到9.3~9.5mm=,采用2块4层FR-4 PCB布置初级铜线和1块双面 块双面FR-4 PCB 布置反馈线圈,中间用三层绝缘线绕制次级。
结构顺序为:
磁芯—绝缘片—初级PCB—绝缘片—反馈 PCB—绝缘片—次级三层绝缘线—绝缘片— 初级PCB—磁芯。
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14.webp.jpg
在焊接平面变压器时需要在变压器地线垫一片0.6mm厚的物体托起,已确保变压器和输入滤波电容达到同一平面。平面变压器的左右定位就完全由电源主PCB和变压器初级PCB完成,整个焊接也可算是免治具焊接了。
剩下的动作就是焊接组装散热片后的MOS和肖特基了。在整个电源制成中,除 和肖特基了。在整个电源制成中,除输入连接器焊接、MOS管散热片和肖特基散热片及管脚加工需要采用治具外,其他都是无治具焊接组装,可以提高了批量产量,减少了制造成本。
再来看看设计完成的PCB外框。
15.webp.jpg
这个PCB如何排版开模呢?难道要全部进行电脑锣边?如何进行SMT SMT贴片呢?
采用复位冲压就可以解决这个问题。复位冲压模具的原理是采用上模将 PCB板材中设计的外框形状采用模具冲压致使其错位2/3,再采用下模将其复位,做出来的PCB板看起来还是一个整的PCB板材,但设计的PCB外框已经 外框已经“ 镶 ”在中间了,这样既解决了异形板框的排版问题,也解决了SMT作业和过波峰PCB板受元件压力变形问题。
下面看一下排版开模制作的PCB。
16.webp.jpg
17.webp.jpg
在波峰完成后,可剪开PCB外框即可取出PCBA了,这样也避免普通采用 V-CUT分PCB板边元件和PCB薄弱处的元件受外力损坏的问题。

17.webp.jpg
javike
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LV2
本网技师
  • 2017-7-22 00:33:14
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强烈鄙视并谴责楼主这种盗版并不注明出处的行为。这是本人2011年在电源网(www.dianyuan.com)的资料中的一部分。
xd285070
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LV8
副总工程师
  • 2017-7-22 00:41:38
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是的,直接盗窃是可耻的,然后,还是被原作者发现了
wszdxp2004
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LV8
副总工程师
  • 2017-7-22 11:35:03
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我在此感谢楼主的发帖,这样我才有机会看到这么好的产品的内部图片!
下次楼主注明下出处,尊重一下原创更好!
以上,一并谢过原创和楼主!
感谢!!!
long609689209
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LV8
副总工程师
最新回复
  • 2017-7-24 09:41:30
  • 倒数1
 
感谢楼主分享,学习了,不过既然不是原创还是写明一下出处比较好,尊重原创作者
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