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开关电源EMC过不了?PCB画板工程师有不可推卸的责任!

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1
未来微尘
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LV3
助理工程师
  • 2017-10-12 14:16:00
导读

说起开关电源的难点问题,PCB布板问题不算很大难点,但若是要布出一个精良PCB板一定是开关电源的难点之一(PCB设计不好,可能会导致无论怎么调试参数都调试布出来的情况,这么说并非危言耸听)原因是PCB布板时考虑的因素还是很多的,如:电气性能,工艺路线,安规要求,EMC影响等等;考虑的因素之中电气是最基本的,但是EMC又是最难摸透的,很多项目的进展瓶颈就在于EMC问题;下面从二十二个方向给大家分享下PCB布板与EMC;


一.熟透电路方可从容进行PCB设计之EMI电路

上面的电路对EMC的影响可想而知,输入端的滤波器都在这里;防雷击的压敏;防止冲击电流电阻R102(配合继电器减小损耗);关键的虑差模X电容以及和电感配合滤波的Y电容;还有对安规布板影响的保险丝;这里的每一个器件都至关重要,要细细品味每一个器件的功能与作用。设计电路时就要考虑的EMC严酷等级从容设计,比如设置几级滤波,Y电容数量的个数以及位置。压敏大小数量选择,都与我们对EMC的需求密切相关,欢迎大家一起讨论看似简单其实每个元器件蕴含深刻道理的EMI电路。

二.电路与EMC:(最熟悉的反激主拓扑,看看电路中哪些关键地方蕴含了EMC的机理)

上图的电路中打圈几部分:对EMC影响非常重要(注意绿色部分不是的),比如辐射大家都知道电磁场辐射是空间的,但基本的原理是磁通量的变化,磁通量涉及到磁场有效截面积,也就是电路中对应的环路。电流可以产生磁场,产生的是稳定的磁场,不能向电场转化;但变化的电流产生变化的磁场,变化的磁场是可以产生电场(其实这就是有名的麦克斯韦方程我用通俗语言来说),变化的电场同理可产生磁场。所以一定要关注那些有开关状态的地方,那就是EMC源头之一,这里就是EMC源头之一(这里说之一当然后续还会讲到其它方面);        比如电路中虚线环路,是开关管开通和关断的环路,不仅设计电路时开关速度可以调节对EMC影响,布板走线环路面积也有着重要的影响!另二个环路是吸收环路和整流环路,先提前了解下,后面再讲!

三.PCB设计与EMC的关联

1.PCB环路对EMC的影响非常重要,比如反激主功率环路,如果太大的话辐射会很差。

2.滤波器走线效果,滤波器是用来滤去干扰的,但若是PCB走线不好的话,滤波器就可能失去应该有的效果。

3.结构部分,散热器设计接地不好会影响,屏蔽版的接地等;

4.敏感部分与干扰源头过近,比如EMI电路与开关管很近,必然会导致EMC很差,需要有清晰的隔离区域。

5.RC吸收回路的走线。

6.Y电容接地与走线,还有Y电容的位置也很关键等等!

等等。先想到这说这些,后续会具体讨论,先起个引子。
下面举一个小例子:


如上图中虚线框,X电容引脚走线做了内缩的处理,大家可以学习下,如何让电容引脚走线外挂(采用挤电流走线)。这样X电容的滤波效果才能够达到最佳状态。

四.PCB设计之准备事项:(准备充分了,方可设计步步稳健,避免设计推翻重来)

大致有以下的一些方面,都是自己设计过程会去考虑,所有的内容跟别的教程无关,都是只是自己的经验总结。

1.外观结构尺寸,包括定位孔,风道流向,输入输出插座,需要与客户系统匹配,还需要与客户沟通装配上的问题,限高等等。

2.安规认证,产品做哪种认证,哪些地方做到基本绝缘爬电距离要留够,哪些地方做到加强绝缘留够距离或开槽。

3.封装设计:有没有特殊期间,如定制件封装准备。

4.工艺路线选定:单面板双面板选择,或是多层板,根据原理图及板子尺寸,成本等综合评估。

5.客户的其他特殊要求。

结构工艺相对会更灵活,安规还是比较固定的部分,做什么认证,过什么安规标准,当然也有一些安规是很多标准中通用的,但也有一些特殊产品比如医疗会比较严苛。

为了新入门工程师朋友们不至于眼花缭乱;

接下来列出些普遍产品通用的,下面是对于IEC60065总结出来的具体布板要求,针对安规需要牢记,碰到具体产品要会针对性处理:

1.输入保险丝焊盘制件的距离安规要求大于3.0MM,实际布板按照3.5MM(简单说保险丝前按照3.5MM爬电距离,之后按照3.0MM爬电距离)

2.整流桥前后安规要求2.0MM,布板按照2.5MM。

3.整流后安规一般不做要求,但是高低压间根据实际电压大小留距离,习惯400V高压留2.0MM以上。

4.初次级间安规要求6.4MM(电气间隙),爬电距离按照7.6MM为最佳。(注意这个跟实际输入电压相关,需要查表具体计算,提供数据仅供参考,以实际场合为准)

5.初次级用冷地,热地标识清晰;L,N标识,输入AC INPUT标识,保险丝警告标识等等都需要清晰标出;

大家对上面有疑问的,也可以讨论,互相学习!

再次重申实际安规距离跟实际输入电压相关以及工作环境有关,需要查表具体计算,提供数据仅供参考,以实际场合为准;

五.PCB设计之安规考虑其它因素

1.明白自己产品做什么认证,属于什么产品种类,比如医疗,通信,电力,TV等各不相同,但也有很多相通的地方。

2.安规中与PCB布板紧密的地方,了解绝缘的特点,哪些地方是基本绝缘,哪些地方是加强绝缘,不同标准绝缘距离是不一样的。最好是会查标准,并且会计算电气距离,爬电距离。

3.产品的安规器件重点注意,比如变压器磁性与原副边关系;

4.散热器与周边距离问题,散热器接的地不一样绝缘情况也不一样,接大地还是冷地,热地绝缘也布一样。

5.保险的距离特别注意,要求最严格地方。保险丝前后距离布一致。

6.Y电容与漏电流,接触电流关系。

后续会详细说明距离该怎么留,如何做好安规要求。

六.PCB设计之电源布局

1.首先衡量PCB尺寸与器件数量,做到疏密有致,要不然一块密,一块稀疏很难看。

2.将电路模块化,以核心器件为中心,关键器件优先放的原则一次放置器件。

3.器件呈垂直或水平防置,一是美观,二是方便插件作业,特殊情况可以考虑倾斜。

4.布局时需要考虑到走线,摆放到最合理位置方便后续走线。

5.布局时尽可能减小环路面积,四大环路后面会详解到。

做到上述几点,当然要灵活运用,比较合理的布局很快就会诞生。

下面是我画的第一块处女PCB板,好多年前的事情,当时非常的艰苦完成的,中间可能有小问题,不过大体布局还是值得学习的:

此图功率密度还是比较高,其中LLC的控制部分,辅助源部分以及BUCK电路驱动(大功率多路输出)部分在小板上,就没拿出来,看看主功率方面的布局特点吧:

1.输入输出端子是固定死的,不能动,板子是长方形的,主功率流向如何去选择?

这里采用由下至上,由左及右的方式来布局,散热是依靠外壳。

2.EMI电路还是清晰的流向,这点很重要,要不混乱了不美观也对EMC不好。

3.大电容的位置尽量考虑到了PFC环路以及LLC主功率环路;

4.副边的电流比较大,为了走电流,以及整流管散热,采用了这样的布局,整流管在上,BUCK电路MOS管在下,散热分散效果好;大功率的顶层一般走负,底层走正。

每个板子有自己的特点,当然也有自己的难处,如何合理解决是关键,大家从中能理解布局合理选取的含义吗?




七.PCB实例赏析

可以根据之前谈论的PCB布局要点,检视此板,是否做的很到位,我认为是做到比较好的地方了,当然瑕疵总会有,也可以提出来,单面板如此紧凑能做到这样已实属不易了,可以借此板学习讨论!后面还会针对此板讲解学习,大家先欣赏下。


八.PCB设计之四大环路认识:(PCB布局的基本要求就是四大环路面积小)

补充一下,吸收环路(RCD吸收以及MOS管的RC吸收,整流管的RC吸收)也很重要,也是产生高频辐射的环路,对上图有任何疑问,都欢迎讨论,不怕任何质疑,只要是针对问题的质疑,一起讨论学习才能更大的进步!

九.PCB设计之热点(浮动电位点)及地线:

注意事项:      

1.针对热点,一定要特别注意(高频开关点),是高频辐射点,布局走线对EMC影响很大。

2.热点构成的环路小,走线短,并且走线不是越粗越好,而是够走电流够用就好。

3.地线要单点接地。主功率地和信号地分开,采样地单独走。

4.散热器的地需要接主功率地。

十.EMC整改心得体会

均为个人理解,或许与传统资料教材有差异,请自己斟酌,反正我觉得很多通用的教材结果没我自己总结的使用,自夸了。想说的很多,可能有些乱,都是实践出来的!




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pq2620
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版主
  • 2017-10-12 14:50:40
 
画板子确实对EMC也有很大很大的关系,有的时候同样的材料参数,就是改下板子就过了。
nc965
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版主
  • 2017-10-12 15:30:54
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为楼主点赞,说得有理,但不仅仅是EMC问题,包括安规认证、可靠性、稳定性都是严重依赖PCB布局。
liaozhaocheng
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版主
  • 2017-10-12 18:48:01
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学习
a422877308
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LV8
副总工程师
  • 2017-10-14 13:38:56
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有个问题请教楼主,图中的X电容为何要“挤电流走线”?这个挤电流是什么意思呢?
140108iky8kysuyysk5vyu.jpg
h8f10
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LV8
副总工程师
  • 2017-10-14 13:49:52
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挤啥电流啊,这是楼主自创的说法吧,这玩意儿其实就是“开尔文”连接
lahoward
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  • 2017-10-14 14:30:57
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这个““开尔文”连接” 怎么理解?
lahoward
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LV10
总工程师
  • 2017-10-14 14:30:29
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同问,什么是“挤电流是什么意思”?
liaozhaocheng
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  • 2017-10-14 15:45:57
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让电流都流过电容引脚,发挥电容的最佳效果
lahoward
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LV10
总工程师
  • 2017-10-14 14:35:42
  • 倒数4
 
反激电源要这个电感是干什么用的?楼主有没有实测有或没有这个电感对EMI有什么影响?

l.jpg

另外:
3.整流后安规一般不做要求,但是高低压间根据实际电压大小留距离,习惯400V高压留2.0MM以上。
这个2mm的说法好像不太对,有没有什么依据?


4.初次级间安规要求6.4MM(电气间隙),爬电距离按照7.6MM为最佳

这个要求太高了吧?
h8f10
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LV8
副总工程师
  • 2017-10-17 21:24:01
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安规的要求,统统以GB4943为准,2mm是功能绝缘,原副边之间加强绝缘6.4mm是必须的;三相输入的电源更大一些,约10个左右。
lahoward
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总工程师
最新回复
  • 2017-10-18 02:29:47
  • 倒数1
 
您在一楼说 : “下面是对于IEC60065总结出来的具体布板要求”
这里您说: "安规的要求,统统以GB4943为准 “
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