電源適配器PCB設計流程

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電源適配器PCB設計流程

在電源適配器的設計工具中，PCB布局有專門的布局軟件，布線也有專門的布線軟件，兩者之間沒什么聯系。隨著球柵陣列封裝的高密度單芯片、高密度連接器、微孔內建技術及3D板在PCB設計中的應用，布局和布線已越來越一體化，并成為設計過程的重要組成部分。
PCB的設計從確定板的板材、板厚和尺寸大小開始。

板材選用時要從電氣性能、可靠性、加工工藝要求、經濟指標等方面考慮，常用的是覆銅箔層壓板。由于環氧樹脂與銅箔有極好的粘合力，因此銅箔的附著強度和工作溫度較高，可以在260°C的熔錫中浸焊而無起泡。環氧樹脂浸漬的玻璃布層壓板受潮濕的影響較小。超高頻印制線路最優良的材料是覆銅箔聚四氟烯玻璃布層壓板。在有阻燃要求的電氣設備上，還要使用阻燃性覆銅箔層壓板，其原理是由絕緣紙或玻璃布浸潰了不燃或難燃性的樹脂。

PCB的厚度應根據PCB的功能及所裝組件的重量、PCB插座規格、PCB的外形尺寸和可承受的機械負荷來決定，多層PCB總厚度及各層間厚度的分配應根據電氣和結構性能的需要及覆銅箔板的標準規格來選取。常見的PCB厚度有0.8mm、1mm、1.6mm、2mm等。還應考慮印刷PCB與外接元器件（主要是電位器、插口或其他的PCB）的連接方式。PCB與外接組件一般通過塑料導線或金屬隔離線進行連接，但有時也設計成插座形式，在設備內安裝一個插入式PCB要留出充當插口的接觸位置。對于安裝在PCB上的較大組件，要加金屬附件固定，以提高耐振、耐沖擊性能。
另外，在PCB設計時還要綜合考慮電磁兼容及電磁干擾、串擾、信號延遲和差分對布線等高密度設計因素，所以布局布線的約束條件每年都在增加。因此掌握先進必要的PCB設計方法和思路尤其重要。
PCB設計的主要步驟如下所示。
第1步：系統規格。在PCB設計前，設計團隊首先要規劃出該電子設備的各項系統規格，包含系統功能、成本限制、大小、電路工作特性等。
第2步：系統總體框圖。根據規劃出的系統規格制作出系統的功能方塊圖，并標示出功能方塊間的關系。
第3步：對PCB進行系統分區。系統功能方塊圖提供了分割的依據，將系統功能分割數個PCB區域，不僅在尺寸上可以縮小，還可以讓系統具有升級與交換器件的能力。
第4步：確定PCB尺寸。通常，PCB尺寸由最終用途決定。例如，基于VME或多總線技術的系統，PCB尺寸是有標準的。在這種情況下，系統的分區、元件的封裝技術等均需滿足該標準PCB尺寸。PCB的最終成本，往往體現在層數及符合標準生產板尺寸的拼版數量。一般PCB生產板長18inch、寬24inch。最大可能地使用原材料標準面積，能得到理想的成本效益。
第5步：繪制PCB原理圖。一旦系統功能、分區、技術已經明確，就可以生成原理圖和元件的詳細連接了，原理圖和框圖設計通常由CAD（計算機輔助工程）系統完成。該系統允許工程師在終端進行設計。后續設計步驟的所有數據都是通過CAD系統從原理圖產生的。
第6步：初步設計的仿真。為了確保設計出來的電路圖可以正常工作，必須先用計算機軟件仿真一次。這類軟件可以讀取設計圖，并且用許多方式顯示電路的工作情況。這比起實際做出一塊樣本PCB，然后用手動測量的效率要高得多。
第7步：建立元件庫。PCB設計流程中的這些工具必須提供每個元件各種各樣的信息，以便完成每個步驟。這些信息將進入一個庫或一套庫，每個元件都有一個條目。其中所需的信息包括：
.元件封裝類型，如通孔、QFP、DIP；
.元件尺寸、引腳間隔、引腳尺寸、引腳編號模式；
.各引腳執行的功能，如輸出、輸入、電源適配器引腳；
.各引腳電氣特性，如電容、輸出電感。
第8步：PCB上器件布局。器件放置的方式是根據器件之間如何相連來決定的，器件必須以最有效率的方式與路徑相連接。所謂有效率的布線，就是連線越短并且通過層數越少（這也同時減少導孔的數目）越好。
第9步：滿足高速網絡規則。利用軟件可以檢查各器件擺設的位置是否可以正確連接，或檢查在高速下是否可以正確工作。
第10步：PCB布線。該步驟涉及對所有信號層的銅傳輸線，依照間距和長度規則連接并進行合理調整。它通常包含對特殊信號的交互性布線和其余部份的自動布線。
第11步：檢查布線結果。為了確定導出的PCB電路是否能夠正常工作，還必須通過此項檢查，如電路間的最小保留空隙、最小線寬、最小孔徑等。
第12步：生成制造文件。目前PCB制造廠商必須有符合標準的檔案，如Gerber文件，Gerber常用的標準規格包括各信號、電源適配器及地線層的平面圖，阻焊層與網板印刷面的平面圖，以及鉆孔等指定檔案。
第13步：設計歸檔。一旦所有制造數據創建完成，該設計的數據庫和所有制造數據文件要存儲在光盤或其他存儲介質中，方便日后使用中的更改和丟失及破壞時的進行備份。

PCB布局設計
為了設計質量好、造價低的PCB，應首先考慮PCB的尺寸大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；PCB尺寸過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。PCB的最佳形狀為矩形，長寬比為3:2或4:3。位于PCB邊緣的元器件，離PCB邊緣一般不小于2mm。

1.PCB布局的原則及應注意的問題
（1）PCB布局原則
在PCB設計中，布局是一個重要的環節。布局結果的好壞將直接影響布線的效果，因此可以這樣認為，合理的布局是PCB設計成功的第一步。在布局時可根據走線的情況對器件進行再分配，將兩個器件進行交換，使其成為便于布線的最佳布局。在布局完成后，還可將設計文件及有關信息標注在原理圖上，使PCB中的有關信息與原理圖一致，以便今后的建檔、更改設計能同步起來，同時對模擬的有關信息進行更新，使得能對電路的電氣性能及功能進行板級驗證。
PCB布局設計前，首先需要對所選用的組件及各種插座的規格、尺寸、面積等有完全的了解；對各部件的位置應合理、仔細考慮，主要是從電磁場兼容性、抗干擾的角度，以及走線短，交叉少，電源適配器、地的路徑和去耦等方面考慮。在確定PCB尺寸后，再確定特殊組件的位置。最后，根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。應把相互有關的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。時鐘發生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產生噪聲，要相互靠近些。盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出組件應盡量遠離。易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路。

（2）組件排列原則
布局的首要原則是保證布線的布通率，移動器件時注意飛線的連接，把有連線關系的器件放在一起。盡可能地減小環路面積，以抑制輻射干擾。按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。放置器件時要考慮以后的焊接，不要太密集，以每個功能電路的核心組件為中心，圍繞它來進行布局。各組件排列、分布要合理且均勻，力求整齊、美觀，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。去耦電容盡量靠近器件的電源適配器引腳。在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且容易裝焊，易于批量生產。電阻、二極管、管狀電容器等組件有“立式”和“臥式”兩種安裝方式。
立式指的是組件體垂直于PCB安裝和焊接，其優點是節省空間，在電路組件數較多，而且PCB尺寸不大的情況下，一般采用立式，立式安裝時兩個焊盤的間距一般取1/10～2/10英寸。
臥式指的是組件體平行且緊貼于PCB安裝和焊接，其優點是組件安裝的機械強度較好。在電路組件數量不多，而且PCB尺寸較大的情況下，一般是采用平放；對于1/4W以下的電阻平放時，兩個焊盤的間距一般取4/10英寸，1/2W的電阻平放時，兩個焊盤的間距一般取5/10英寸；二極管平放時，對于1N400X系列整流管，一般取3/10英寸；對于1N540X系列整流管，一般取4～5/10英寸。

（3）電位器和1C座的放置原則
電位器和1C座的放置原則如下：
①電位器。在電源適配器中用來調節輸出電壓的電位器，順時針調節時則輸出電壓升高，逆時針調節時輸出電壓降低；在可調恒流充電器中，電位器應為順時針調節時電流增大，逆時針調節時電流減小。電位器安放位置應當滿足整機結構安裝及面板布局的要求，應盡可能放置在PCB的邊緣，旋轉柄朝外。
②1C座。在設計PCB時，1C器件盡量直接焊在PCB上，少用數1C座。在使用IC座的場合下，一定要特別注意1C座上定位槽放置的方位是否正確，并注意各個1C腳位是否正確，如第1腳只能位于1C座的右下角或左上角，而且緊靠定位槽（從焊接面看）。
（4）進出接線端布置
相關聯的兩引線端不要距離太大，一般2/10～3/10英寸比較合適。
進出線端盡可能集中在1～2個側面，不要過于離散。

2.板上器件布局
器件布局的第一個步驟是在板上放置器件，將噪聲敏感器件和產生噪聲器件分開放置。完成這個任務有兩個準則：一是將電路中的器件分成兩大類，即高速（大于40MHz）器件和低速器件。如果可能，將高速器件盡量靠近板的接插件和電源適配器放置；二是將上述兩大類再分成三個子類，即純數字、純模擬和混合信號，將數字器件盡量靠近板的接插件和電源適配器放置。

PCB上元器件放置的通常順序如下所示。
第1步：放置與結構有緊密配合的固定位置的元器件，如電源適配器插座、指示燈、開關、連接件之類，這些器件放置好后用軟件的LOCK功能將其鎖定，使之以后不會被誤移動。
第2步：放置線路上的特殊組件和大的元器件，如發熱組件、變壓器、1C等。
第3步：元器件在PCB上的排向，原則上隨著元器件類型的改變而變化，即同類元器件盡可能按相同的方向排列，以便元器件的貼裝、焊接和檢測。在PCB上，組件需均勻排放，避免輕重不均。
第4步：PCB的X、Y方向均要留出傳送邊，PCB上的所有元器件均放置在離板的邊緣5mm以內或至少大于板的厚度，這是由于在插件生產的流水線和進行波峰焊時，要提供給導軌槽使用，盡量保證元器件的兩端焊點同時接觸波峰焊料。同時也為了防止由于外形加工引起邊緣部分的缺損。如果PCB上的元器件過多，不得已要超出5mm范圍時，可以在板的邊緣加上5mm的輔邊，輔邊開V形槽。
第5步：PCB上若同時有高壓電路和低壓電路，則高壓電路部分的元器件與低壓部分要隔開放置，隔離距離與要承受的耐壓有關。通常情況下，在2000kV時板上要距離2mm，若要承受更高的耐壓測試，在此之上距離還要加大。例如，若要承受3000kV的耐壓測試，則高、低壓電路之間的距離應在3.5mm以上。許多情況下為避免爬電，還會在PCB上的高、低壓之間開槽。
第6步：組件在PCB上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題，其原則是各部件之間的引線要盡量短。在布局上要把模擬信號部分、高速數字電路部分、噪聲源部分（如繼電器、大電流開關等）合理地分開，使相互間的信號耦合最小。
第7步：當尺寸相差較大的片狀元器件相鄰排列且間距很小時，較小的元器件在波峰焊時應排列在前面，先進入焊料波，避免尺寸較大的元器件遮蔽其后尺寸較小的元器件而造成漏焊。PCB上不同組件相鄰的焊盤圖形之間的最小間距應在1mm以上。

3.特殊器件布局
在確定特殊組件的位置時要遵守以下原則：
①盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出組件應盡量遠離；
②某些元器件或導線之間可能有較高的電位差，應加大它們之間的距離，以免放電引起意外短路。帶高電壓的元器件應盡量布置在調試時手不易觸及的地方。
③質量超過15g的元器件，應當用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發熱量多的元器件，不宜裝在PCB上，應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題。熱敏組件應遠離發熱組件；
④對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調組件的布局應考慮整機的結構要求，若是機內調節，應放在PCB上方便調節的地方。若是機外調節，其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。應留出PCB定位孔及固定支架所占用的位置。位于PCB邊緣的元器件，離PCB邊緣一般不小于2mm；
⑤PCB在機箱中的位置和方向。應保證發熱量大的器件處在上方，I/O驅動電路盡量靠近PCB邊；
⑥晶振要盡量靠近1C，且布線比較粗；晶振外殼接地；每個1C的電源適配器引腳要加旁路電容（一般為0.1uF）和濾波電容（10～100uF）。如有可能，在PCB的接口處加RC低通濾波器或EMI抑制組件（如磁珠、信號濾波器等），以消除連接線的干擾，但是要注意不要影響有用信號的傳輸。

電源適配器