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【 DigiKey DIY原創大賽】基于反激式開關電源的手機充電器設計(二)PCB Layout篇

大家好,我是磚一談芯。

非常高興能夠參加電源網的DIY設計大賽,也很榮幸能夠在電源網和得捷電子兩個大平臺上展示自己的處女作。

我今天給大家帶來的項目是一款基于反激式開關電源的手機充電器設計。

接下來的幾天,我會以一個系列進行更新,分別從原理圖設計,元器件選型,PCB Layout,高頻變壓器的計算,以及調試過程中遇到的問題點進行分享。

這是本系列的第二期,本期主要講解反激開關電源PCB Layout原則和實操,歡迎各位看官批評指正!

第一期請看官點擊藍字部分:【 DigiKey DIY原創大賽】基于反激式開關電源的手機充電器設計(一)原理圖設計和器件選型篇-電源網

前言

畫PCB前學會閱讀芯片手冊給出的PCB layout規則。一個高效的PCB布局對于穩定運行、良好的EMI性能和良好的熱性能至關重要。

(1)最小化功率級環路面積,這樣能獲得更好的EMI性能,包括輸入主回路(C4-T1-U1-R2/R4-C4)、輔助繞組回路(T1-D7-R12-C7-T1)、輸出主回路(T1-D8-C10-T1)和RCD吸收回路(T1-R9 -D6 -R10/C6-T1)。

輸入主回路部分(紅色部分)

輔助供電回路(黃色部分)

輸出回路(綠色部分)

RCD吸收回路(藍色部分)

 (2)保持輸入回路和控制電路的地分開,只在C4處連接,否則會影響IC的工作;

   其實意思是做好隔離,用變壓器隔離開來。

(3)將控制電路的電容(如反饋引腳FB、輸入過壓欠壓引腳B/O和VCC)放置在IC附近,可以有效去耦噪聲;

(4)如果有需要的話,在IC附近放置更大的區域改善熱性能。

 1、布局

1.1輸入和輸出主回路

分析過程:

從火零線LN過來整流橋正極到高壓π型濾波變壓器,必須要從地回去才能形成一個回路,變壓器才會有電,芯片啟動后整個電路的原邊才能正常工作。

接著電流來到芯片,由于內部芯片集成MOS管,所以主回路由四腳MOS管漏極到五腳源極,出來到達電流檢測電阻,回到功率地,最終到達高壓濾波電容C10的主地。

從變壓器副邊出發到整流二極管和RC吸收部分,隨后到達電解電容,從USB回到副邊地。

此次項目layout過程與芯片datasheet規則一致。

2、布線

PCB走線可以先走主回路部分,然后再走輔助回路部分。

主回路的線寬盡量用1mm線寬,輔助回路用10mil

這樣根據這個規則就可以選擇你需要走多粗的線。

 最終成品

全部回復(18)
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2024-11-05 14:29

后面兩期內容,請點擊鏈接部分即可觀看!

第三期請點擊=》http://www.laiyangyintong.cn/bbs/2778031.html

第四期請點擊=》http://www.laiyangyintong.cn/bbs/2778034.html

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2024-11-07 13:16

分享一下畫PCB遇到的問題和對應的解決方案。

問題描述:

問題1:Net_C8-1走線隔著幾條線,走線不通順

問題2:走線發現變壓器的4腳GND和5腳GND連接在一起,Y電容的兩個GND也連接在一起,會導致走線錯誤

問題分析:

1、由于布局不合理導致;

2、由于原理圖沒有區分功率地GND和信號地SGND

對策:

問題1對策:在原理圖中加一個1206的跳線電阻,更新到PCB中,并且給跳線電阻兩個引腳分配網絡Net_C8-1,放置在R10左邊,這樣就可以從R9到跳線電阻,再到芯片電容C8。

問題2對策:原理圖中更改GND為信號地SGND,更新到PCB中,可以避免同一個名字導致只要是GND就會連在一起,有效隔開功率地和信號地。

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2024-11-07 13:20

網友反饋我的原理圖畫錯了,針對這個問題,我寫了下問題點和解決方案。

問題點描述:

問題1:原理圖RCD吸收回路畫錯,導致PCB畫錯,由于把電容兩端并聯到變壓器,容易造成LC諧振,嚴重影響起機。

問題2:RCD的PCB畫錯。

沒有按照原理圖的元器件的先后順序繪制,導致走線先走R2、C2,然后再走C10,與實際原理圖RCD吸收回路不同,實際走線是先經過π型濾波的C10再經過R2、C2,這樣原理圖和實物不對應。

對策:

原理圖部分把并聯到變壓器初級的電容C2另一端連接電阻R2,避免諧振問題,在不改板子的情況下,焊接的時候在電阻上并聯電容,可以實現這個RCD效果。

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2024-11-23 22:24

關于PCB的布局這塊,功率器件(像變壓器、開關管、整流管)需要緊湊布局,縮短大電流的路徑,降低寄生電感的影響;另外散熱部分也是重點,開關管可以增加散熱焊盤或者是輔助的散熱片;輸入端和輸出端要注意分開,防止二者干擾。有高頻線(反饋線)需要用地線進行環繞屏蔽,減小電磁干擾,鋪地完整而且需要多打過孔,增強散熱與電氣性能。

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2024-11-24 13:12

分享一下近期項目Layout的問題點。

一、問題點背景

我實測發現L和N之間的電氣距離不夠,只有2.4mm,實際上根據項目輸入電壓來說,輸入電壓220V,屬于150-300V類,L與N爬電距離要求3mm,實測不足2.5mm,所以我需要通過開槽來增加爬電距離。

二、問題點解析

1、PCB為什么要進行開槽處理?

答:在PCB上的強弱電流之間,單獨使用PCB材料能承受一定的耐壓。 PCB耐壓雖然不低,但長期使用后會沾上灰塵和潮氣,因此其耐壓會顯著降低,這意味著爬電距離減少了。PCB開槽后,短距離采用直接空氣隔離,電氣間隙,在一定程度上保證其耐壓。

注:爬電是絕緣子表面被污染和受潮后,絕緣電阻降低,在高壓下產生電流(甚至電弧)的現象。

2、PCB板爬電距離不夠拉弧會產生什么問題?

(1)絕緣破壞和短路

    當PCB板上的爬電距離不夠而產生拉弧時,電弧會使原本不應導通的兩個導體之間形成暫時的導電通道。如果這種情況持續發生,可能會導致絕緣材料被逐漸破壞,最終造成永久性短路。這會使電路中的電流異常增大,損壞相關的電子元件,如芯片、電阻、電容等。

  (2)電磁干擾(EMI)增加

     拉弧過程中會產生電磁輻射,這種電磁輻射會干擾周圍電路的正常工作。在高頻電路或對電磁兼容性(EMC)要求高的電路中,這種電磁干擾可能會導致信號失真、誤觸發等問題。例如,在一個通信電路板上,拉弧產生的電磁干擾可能會使信號的傳輸出現錯誤,影響通信質量。

  (3)局部過熱

     拉弧會在局部產生高溫,高溫可能會損壞PCB板上的銅箔線路和焊點,甚至可能引起PCB板的基材燃燒,造成火災隱患。特別是在大電流電路或長時間工作的電路中,這種局部過熱問題會更加嚴重。

  (4)可靠性降低

     出現拉弧現象意味著PCB板的電氣性能不穩定,這會嚴重影響產品的可靠性。在一些對可靠性要求極高的應用場景,如航空航天、醫療設備等,這種由于爬電距離不足導致的拉弧問題是絕對不允許出現的,因為它可能會導致設備故障,甚至危及生命安全。

為了避免這些問題,在PCB設計時,必須根據電路的工作電壓、環境條件等因素,合理設計爬電距離和電氣間隙。

三、解決方案

如果想通過開槽擴大爬電距離,開槽要求至少1mm寬,所以我給L和N之間開1mm槽,可以畫成圓弧狀的。

開槽前,要畫好槽的圖形,選定好開槽邊緣

在工具-轉換-以選中的元素創建板切割槽

開槽后就會有明顯的溝槽了

3D圖形看的要明顯一點

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2024-11-24 13:20

一、問題點分析

經過R9、R10分壓后得到檢測電壓給到C8濾波后輸出給B/O引腳,但是PCB卻畫成R9、R10分壓后直接給到芯片的B/O腳,并沒有電容C8濾波,濾波電容起不到濾波效果。其實是不看原理圖,見到相同引腳就連導致的問題。這可能是很多小白都會犯得一個錯誤,這樣會導致器件加上去了,打樣回來波形不對,甚至系統電路不能工作。

二、解決對策

PCB Layout遵循要學會原理圖和PCB保持一致,所以只能按照原理圖更改PCB位置。

在AD中工具欄有一個Window,可以實現垂直平鋪。

這樣,原理圖和PCB就能在同一個窗口出現,Ctrl+Shift+X,可以實現原理圖和PCB交叉選擇模式(交互視圖,原理圖和PCB元件位置映射),器件和線一一對應,這樣對著原理圖畫PCB很方便。

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2024-11-24 14:10

有測過EMI嗎?有些線右下角你走了直角,應該好像不能直角吧。

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2024-11-24 14:15

功率地是代表GND?

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Spo
LV.1
10
2024-11-24 20:44
@dy-XysSI4VR
有測過EMI嗎?有些線右下角你走了直角,應該好像不能直角吧。

為啥不能直角?有什么說法?

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Spo
LV.1
11
2024-11-24 20:47

這個如果測EMI要選哪個標準?

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2024-11-24 22:17
@dy-XysSI4VR
有測過EMI嗎?有些線右下角你走了直角,應該好像不能直角吧。

我還沒測呢,EMI場地沒得,等有空可以出去測測看。

確實,不該走直角,可能信號會反射,謝謝提醒,我來優化一下!

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2024-11-24 22:18
@dy-XysSI4VR
功率地是代表GND?

可以這么認為,我主要是和副邊反饋電路的信號地區分開來,因為畫PCB的時候兩個交叉到一塊了,導致我畫錯了,找了好半天啊??

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2024-11-24 22:19
@Spo
為啥不能直角?有什么說法?

主要是信號經過直角銳角會反射。

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2024-11-25 12:24

建議在板子用絲印,畫出高壓區和低壓區。

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2024-11-25 13:22
@Spo
這個如果測EMI要選哪個標準?

我現在做的屬于信息技術設備的發射要求,所以EMI一般選擇EN55022。

EN55022 標準將設備分為 A 類和 B 類,B 類設備主要是指在住宅、商業和輕工業環境中使用的設備,充電器通常屬于這一類,所以標準是EN55022B。

還有這個頻段我也查了一下,分享一下,傳導干擾測量的頻率范圍為 0.15MHz 到 30MHz,輻射干擾測量的頻率范圍為 30MHz 到 1GHz 。

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2024-11-25 13:29
@zhangshiwei
關于PCB的布局這塊,功率器件(像變壓器、開關管、整流管)需要緊湊布局,縮短大電流的路徑,降低寄生電感的影響;另外散熱部分也是重點,開關管可以增加散熱焊盤或者是輔助的散熱片;輸入端和輸出端要注意分開,防止二者干擾。有高頻線(反饋線)需要用地線進行環繞屏蔽,減小電磁干擾,鋪地完整而且需要多打過孔,增強散熱與電氣性能。

感謝大佬,對我非常有用,這塊還是很值得研究的。

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2024-11-25 17:27
@跬步千里
建議在板子用絲印,畫出高壓區和低壓區。

說的有道理,下次版本可以優化一下哈,謝謝你的建議!

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2024-11-28 16:16

功率部分 開窗散熱會好些

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