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22个方向分享开关电源PCB设计与EMC之间关联(一)


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*基本的,但是EMC又是*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:

1、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;防止冲击电流的电阻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。



2、电路与EMC:(*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!


3、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!
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*佳状态。




4、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*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;
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;


5、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。*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*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。
等等,后续会详细说明距离该怎么留,如何做好安规要求。



6、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*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。



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?


7、PCB实例赏析





8、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!
9、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。





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