当大面积接地不能实现时,尽量能保证地线的宽度>2.54mm,否则只能起到电气连接的作用,地线的高频接地阻抗会很高,起不到接地的作用。
另外,地线应尽量避免过孔、跳线,当地线和其它布线冲突时,应优先照顾地线,避免单一过孔和跳线。
⑷ 回路面积
在保证电气绝缘的基础上,回路面积应该越小越好,一方面可以减小对其他回路的耦合,另一方面可以改善变换器的EMI特性。图5和图6所示为单面板的高频回路面积的例子,其中黑线条和箭头包围的面积就是回路面积,两者元器件位置完全相同,但图4的回路面积就要远远大于图5的回路面积。
图5大的回路面积 图6小的回路面积
⑸ 过孔
过孔在多层板中经常使用,其寄生参数会对高频接地阻抗产生很大影响。过孔寄生参数包括寄生电容和寄生电感,经验公式如下所示。
其中:T为PCB厚度,e为板材的介电常数,D1为过孔焊盘直径,D2为焊盘区直径,h为过孔的长度,d为过孔直径。
在100MHz的频率下,一个0.254mm的常规过孔,寄生电感的阻抗可以达到0.64Ohm,如果用于接地又同时有1A电流,就会产生0.64V的压降,影响接地效果,甚至变换器工作。如果这个过孔在地线上,那会对变换器EMI的接地阻抗产生很大影响。
因此,在布线时,尽量避免通过过孔接地。如不能避免过孔接地,可以通过多个过孔并联连接,同时加大过孔直径,降低接地阻抗。
4. 权衡与其它设计要求的冲突
经过对Flyback变换器中的高频回路逐一深入分析,可以发现布线对变换器的性能是至关重要的。通过单点接地方式同时减小高频回路面积,以避免上述高频回路间的耦合和相互干扰。但实际布线过程中会碰到许多别的设计要求,使得这些措施很难同时完全做到。下述是常见的实际问题和相应的对策。
⑴ 元器件体积
比如变压器T1的体积、高压电解电容C1的体积和晶体管Q1散热片的体积,再考虑电气绝缘,使得这些器件必须保持一定距离,导致较大的回路面积。当这些器件距离不能缩短时,可以考虑通过PCB铺铜来缩小回路面积,如图5所示;或者通过跳线在单面板上实现双面板的效果。多层板可以考虑整层铺地的方式来减小回路面积,同时减小肌肤效应和临近效应的影响。
⑵ 机械结构的要求
通常产品会有外壳、接插件或线缆,为了配合这些结构件,它们对内部的元器件布置会有一些特殊的要求,从而导致高频回路中器件不能按照最小回路面积放置。在这种情况下可以参照图5的类似方式,通过PCB铺铜来缩小回路面积。
⑶ 热平衡的考虑
如果仅从回路面积的角度,就需要将许多发热的器件靠得很近,产生局部热点,比如晶体管Q1、变压器和副边二极管D2。如果从产品的温升角度考虑,需要尽量把发热的器件放到最容易散热的位置,但那样又会使高频回路中器件不能按照最小回路面积放置。在这种情况下可以参照图5的类似方式,通过PCB铺铜来缩小回路面积,同时就可以保证发热器件的散热。
⑷ 安规和电气绝缘的要求
安规和电气绝缘的要求,使得不少布线不能靠得很近,导致高频回路的回路面积不能最小化。通常可以通过跳线和挖槽来解决安规绝缘距离要求与回路面积的冲突。
⑸ 生产工艺的要求
通常许多电源的输入输出线或插座往往需要通过手工焊接,但为缩小回路面积,PCB版有许多大面积的铺铜,虽然可以帮助元器件散热,但同时会导致手工焊点的虚焊。对于表面贴SMT的器件,也容易引起立碑等虚焊现象。为解决虚焊的问题,可以采取花焊盘如图7所示。
通常每个公司采用的生产设备都不尽相同,或多或少有相应的可生产性规范(DFM guideline),对于插件、表面贴和拼版工艺有很多规定,因此布线还是需要参考这些规范。
图7 预防虚焊的花焊盘
当面临上述冲突时,往往不能两全,因此需要从优先级去分步采取解决措施,甚至是在某方面做出一些牺牲。通常安规和电气绝缘是首要满足的,机械结构的要求次之,热平衡和生产工艺再做考虑。
5. 总结
通过上述深入分析Flyback变换器的高频回路,可以从高频回路入手,然后采取相应的措施,比如布线技巧及合适的器件等措施,来减少高频回路对变换器性能的影响。
当采取的措施相互冲突时,根据优先级进行权衡,就可以设计出性价比好,有利于大批量生产的产品。
本文关键字:高频 电源类,电子制作 - 电源类
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