有关PCB板布局和走线的电气方面的指导
1): 应用范围:
此文檔阐述了开关电源PCB板的布局和走线在设计过程中须遵循的电气设计标准.
2): 概况:
2.1 应用标准
MIL-STD-275F
UL60950-1
2.2 说明
除非另有备注,否则本文所有列出的尺寸均为英寸
3): 应用指南
3.1概论:
开关电源的PCB布局和走线对电路功能的正确性和可靠性非常重要,相对于单纯的仿真电路和数字电路来讲,开关电源有非常高的电压和大电流,因此,其走线的间隔和走线宽度就显的尤为重要,另外,高效率的追求使得现代开关电源的工作频率越来越高(>50KHz), 开关转换时间也越来越短(<1000 nS ),而这一切(高电压;大电流;高频率;短时间)的结和使得开关电源的主要零件的走线要求非常短和粗(保正间距的前题下).
开关管的快速开关会带来EMI噪音的问题,它会干扰开关电源和其它电器的正常工作.或者导致系统超过可允许的EMI范围, EMI噪音是不可能被完全消除的.但是我们可以采用一些方法把它降到最低值或者降到一个允许的范围内,方法包括对噪声源和敏感电路的隔离;对大电流的地线的屏避,以及通过对关键部位放置陶瓷电容和铁氧体磁珠来减小EMI的影响.
开关电源的PCB设计工作其实不简单,实际上在开始时确定一切是不可能的.整个PCB设计只有通过PCB布局者和电源设计者的相互交流和沟通,经过数次的反复修改,最终才能获的一个可靠的方案.
3.2 零件的放置
零件最初的放置应依照3.2.1-3.2.3条款内容,再通过反复的修正来达到3.2条款内容.因为有时候不可能完全满足所有的条款内容,所以结果往往是折衷的.无论如何,对零件的放置进行适当的处理就显得十分重要.
3.2.1 零件的初步布局
电源设计人员应提供一个布局草图,此草图可以是一个手稿,不过,最佳方案是能提供一个计算器辅助设计工具(Layout CAD)的初步草图.在设计过程中,最重要的部分就是主回路的零件的放置.以及其它的所有的重要零件的放置.
3.2.2 零件的区域布局
在实际工作中,应该按电路的功能对零件进行区域布局,同一功能的零件应该均匀地;紧凑地放在一起,而不同功能的零件之间应该有一个有效的隔离.依3.2.1条款.电源设计者应提供一个在PCB板上的重要零件的放置图和主要电路的功能模块的零件放置图.
3.2.3 电路布局
零件应该放在一个很恰当的位置.以便于走线和减少交叉走线以及减少走一些较长的走线,至于哪些走线必须短,请参考3.6条款.其中的内容应该引起重视.另外,一些重要的走线应该保证足够的宽度,(具体尺寸请参照3.4).此外,安全间距和重要走线的间距请参照3.5
3.2.4 敏感电路和噪音电路
敏感电路指的是对噪音特别敏感的电路.噪音电路指的是噪声源.对绝大部份电源来说,通常都有一些敏感电路和噪音电路.这些电路彼此之间必须进行有效的隔离,最好的方法是把两者之间的距离控制在1inch以上.这样,能有效的减少故障的发生.敏感电路和噪音电路在原理图上应该有明显的标示.
3.2.5 温升和机构的考量
温升和机构的问题非常重要,电源设计者应该提供一个很详细的指导方针,并且需要评估PCB布局和散热片以及设计的完整性.通常这些问题将优先处理.就电源来说,正确的布局和走线对电路的正确性非常关键.它是保电路正确性的首要条件,其次就是热和机构以及制造的考量.
3.2.6 生产考量
生产考量对PCB布局者来说是一个十分普遍的问题,所有细节应该由电源设计者来确定.
3.3 层的定义:
电源设计者必须确定PCB板是单层板还是多层板,如果是多层板.设计者必须定义电源层,地层,屏蔽层,走线层.另外,还必须定义每个层的铜箔尺寸.因为这有助于保证PCB板的弯曲最小化,平衡最佳化.最后,任何特定的约束都应考虑,其中可能包括主回路和信号回路的隔离,敏感电路和噪音电路的隔离以及地平面的分割.
3.4 走线的宽度
电源设计者必须指定最小的(默认值)走线宽度.另外,设计者提供的原理图上必须指定所有的走线的最小线宽.任何一个最小的线径和最大电流值都必须详细确定.如果是后者,最小的线宽将由下表决定.首选值是温升小于10℃栏中所列.
图表中所指的是可允许线宽的最小值. 此外,可以增加一些助焊层在走线上.这样有助于走线在过波峰焊时能吃锡.而增加走线的载流能力.这些做法都必须由电源设计者来评估和审核.
Mil-Std-275F
Current Carrying Capacity of External PCB Traces. Derate 50% for internal traces.
Temp Rise 10C 20C 30C
Copper 1/2 oz. 1 oz. 2 oz. 1/2 oz. 1 oz. 2 oz. 1/2 oz. 1 oz. 2 oz.
Trace Width (mil) Maximum Current (Amps)
10 0.5 1 1.4 0.6 1.2 1.6 0.7 1.5 2.2
15 0.7 1.2 1.6 0.8 1.3 2.4 1 1.6 3
20 0.7 1.3 2.1 1 1.7 3 1.2 2.4 3.6
25 0.9 1.7 2.5 1.2 2.2 3.3 1.5 2.8 4
30 1.1 1.9 3 1.4 2.5 4 1.7 3.2 5
35 1.2 2.1 3.3 1.5 2.8 4.5 1.9 3.5 5.6
50 1.5 2.6 4 2 3.6 6 2.6 4.4 7.3
75 2 3.5 5.7 2.8 4.5 7.8 3.5 6 10
100 2.6 4.2 6.9 3.5 6 9.9 4.3 7.5 12.5
150 3.1 5.6 9.2 4.8 8 10.5 5.9 10.3 16.5
200 4.2 7 11.5 6 10 11 7.5 13 20.5
250 5 8.3 12.3 7.2 12.3 20 9 15 24.5
300 6 10 8 13.6 10 17
400 7 12 10 16.5 11 22
在多层板中,由于过孔连接于不同的层面.所以会有明显的阻抗而降低负载的调整.对0.6mm的过孔来说,最佳的允许电流是1A.最大允许电流是3A.
3.5 走线间距
电源设计者提供的原理图中必须注明对地的Peak电压超过50V的每个网络和节点.首选的和最小的间距由铜箔,焊盘间距以及下表所列的标准而定.
PCB Conductor Spacing (inches) - External Layers
Coated (soldermask) Uncoated (exposed)
Voltage between Conductors (VDC or Peak) Preferred Minimum Minimum
0 - 15 0.025 0.02 0.025
16 - 30 0.025 0.02 0.025
31 - 50 0.025 0.02 0.025
51 - 100 0.05 0.03 0.05
101 - 150 0.05 0.03 0.05
151 - 170 0.07 0.05 0.07
171 - 250 0.07 0.05 0.07
251 - 300 0.07 0.05 0.07
301 - 500 0.1 0.08 0.1
501 - 750 0.125 0.1 0.15
751 - 1000 0.15 0.125 0.2
PCB Conductor Spacing (inches) - Internal Layers
Voltage between Conductors (VDC or Peak) Preferred Minimum
0 - 15 0.025 0.01
16 - 30 0.025 0.01
31 - 50 0.025 0.01
51 - 100 0.035 0.02
101 - 150 0.035 0.02
151 - 170 0.05 0.03
171 - 250 0.05 0.03
251 - 300 0.05 0.03
301 - 500 0.075 0.05
501 - 750 0.1 0.75
751 - 1000 0.125 0.1
对于AC输入线的应用,线与零件之间的距离必须满足漏电流的要求以及满足指定的安规要求.
3.6 短距离走线
象3.2.3提及的那样,有一些走线应尽可能的保持短距离走线,普遍来说,其它要表现在一些开关电流和较高的ΔI/ΔT的走线.这些走线应该在原理图上表示出来.电源设计者必须判断出哪些走线应足够短.以及当与其它规定发生冲突时,应以哪一个为优先处理.
3.7 布线及铺铜
零件的走线应该参照3.3和其它指导方针进行手工布线.希望设计者能够和PCB布局者共同讨论,从而确定一些布线中的优先权设置,以及做出一个完善的方案.另外PCB布局者应该每日发送一次经更新后的PCB进展情况给电源设计者.电源设计者应该检查和评估PCB布局状况并立即反馈给PCB布局者,使PCB布局反复修改的次数最少化.
当然如果有一个没有预估到的问题出现,返回上一次去修改和调整部份零件是很有必要的.这种状况必须在首次版本确定以前,或者在做一个大的修改版本以前就确定,而不能出现PCB出Gerber File的时候.
3.8 散热片的考量
3.8.1 间距
高压电路部份的焊盘与散热片之间,非绝缘的零件表面和散热片之间必须有一个加强的安全间距,具体的安全距离将以下表为参考.
Minimum Clearance to Heatsinks (UL60950-1)
Peak (VDC) VRMS Clearance (mm)
71 50 0.4
210 150 0.5
420 300 1.5
840 600 3
对于AC线来说,间距必须满足漏电流的要求以及指定的安规要求.
3.8.2 电性干扰
有案例说明,部份电路和散热片之间有高频噪声和干扰.像这种干扰会影响电路功能的完整,性这些因素应该由电源设计者来判定是否需要切割散热片或者作必要的屏蔽.
