电源适配器PCB设计流程

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电源适配器PCB设计流程

在电源适配器的设计工具中，PCB布局有专门的布局软件，布线也有专门的布线软件，两者之间没什么联系。随着球栅阵列封装的高密度单芯片、高密度连接器、微孔内建技术及3D板在PCB设计中的应用，布局和布线已越来越一体化，并成为设计过程的重要组成部分。
PCB的设计从确定板的板材、板厚和尺寸大小开始。

板材选用时要从电气性能、可靠性、加工工艺要求、经济指标等方面考虑，常用的是覆铜箔层压板。由于环氧树脂与铜箔有极好的粘合力，因此铜箔的附着强度和工作温度较高，可以在260°C的熔锡中浸焊而无起泡。环氧树脂浸渍的玻璃布层压板受潮湿的影响较小。超高频印制线路最优良的材料是覆铜箔聚四氟烯玻璃布层压板。在有阻燃要求的电气设备上，还要使用阻燃性覆铜箔层压板，其原理是由绝缘纸或玻璃布浸溃了不燃或难燃性的树脂。

PCB的厚度应根据PCB的功能及所装组件的重量、PCB插座规格、PCB的外形尺寸和可承受的机械负荷来决定，多层PCB总厚度及各层间厚度的分配应根据电气和结构性能的需要及覆铜箔板的标准规格来选取。常见的PCB厚度有0.8mm、1mm、1.6mm、2mm等。还应考虑印刷PCB与外接元器件（主要是电位器、插口或其他的PCB）的连接方式。PCB与外接组件一般通过塑料导线或金属隔离线进行连接，但有时也设计成插座形式，在设备内安装一个插入式PCB要留出充当插口的接触位置。对于安装在PCB上的较大组件，要加金属附件固定，以提高耐振、耐冲击性能。
另外，在PCB设计时还要综合考虑电磁兼容及电磁干扰、串扰、信号延迟和差分对布线等高密度设计因素，所以布局布线的约束条件每年都在增加。因此掌握先进必要的PCB设计方法和思路尤其重要。
PCB设计的主要步骤如下所示。
第1步：系统规格。在PCB设计前，设计团队首先要规划出该电子设备的各项系统规格，包含系统功能、成本限制、大小、电路工作特性等。
第2步：系统总体框图。根据规划出的系统规格制作出系统的功能方块图，并标示出功能方块间的关系。
第3步：对PCB进行系统分区。系统功能方块图提供了分割的依据，将系统功能分割数个PCB区域，不仅在尺寸上可以缩小，还可以让系统具有升级与交换器件的能力。
第4步：确定PCB尺寸。通常，PCB尺寸由最终用途决定。例如，基于VME或多总线技术的系统，PCB尺寸是有标准的。在这种情况下，系统的分区、元件的封装技术等均需满足该标准PCB尺寸。PCB的最终成本，往往体现在层数及符合标准生产板尺寸的拼版数量。一般PCB生产板长18inch、宽24inch。最大可能地使用原材料标准面积，能得到理想的成本效益。
第5步：绘制PCB原理图。一旦系统功能、分区、技术已经明确，就可以生成原理图和元件的详细连接了，原理图和框图设计通常由CAD（计算机辅助工程）系统完成。该系统允许工程师在终端进行设计。后续设计步骤的所有数据都是通过CAD系统从原理图产生的。
第6步：初步设计的仿真。为了确保设计出来的电路图可以正常工作，必须先用计算机软件仿真一次。这类软件可以读取设计图，并且用许多方式显示电路的工作情况。这比起实际做出一块样本PCB，然后用手动测量的效率要高得多。
第7步：建立元件库。PCB设计流程中的这些工具必须提供每个元件各种各样的信息，以便完成每个步骤。这些信息将进入一个库或一套库，每个元件都有一个条目。其中所需的信息包括：
.元件封装类型，如通孔、QFP、DIP；
.元件尺寸、引脚间隔、引脚尺寸、引脚编号模式；
.各引脚执行的功能，如输出、输入、电源适配器引脚；
.各引脚电气特性，如电容、输出电感。
第8步：PCB上器件布局。器件放置的方式是根据器件之间如何相连来决定的，器件必须以最有效率的方式与路径相连接。所谓有效率的布线，就是连线越短并且通过层数越少（这也同时减少导孔的数目）越好。
第9步：满足高速网络规则。利用软件可以检查各器件摆设的位置是否可以正确连接，或检查在高速下是否可以正确工作。
第10步：PCB布线。该步骤涉及对所有信号层的铜传输线，依照间距和长度规则连接并进行合理调整。它通常包含对特殊信号的交互性布线和其余部份的自动布线。
第11步：检查布线结果。为了确定导出的PCB电路是否能够正常工作，还必须通过此项检查，如电路间的最小保留空隙、最小线宽、最小孔径等。
第12步：生成制造文件。目前PCB制造厂商必须有符合标准的档案，如Gerber文件，Gerber常用的标准规格包括各信号、电源适配器及地线层的平面图，阻焊层与网板印刷面的平面图，以及钻孔等指定档案。
第13步：设计归档。一旦所有制造数据创建完成，该设计的数据库和所有制造数据文件要存储在光盘或其他存储介质中，方便日后使用中的更改和丢失及破坏时的进行备份。

PCB布局设计
为了设计质量好、造价低的PCB，应首先考虑PCB的尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；PCB尺寸过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。PCB的最佳形状为矩形，长宽比为3:2或4:3。位于PCB边缘的元器件，离PCB边缘一般不小于2mm。

1.PCB布局的原则及应注意的问题
（1）PCB布局原则
在PCB设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是PCB设计成功的第一步。在布局时可根据走线的情况对器件进行再分配，将两个器件进行交换，使其成为便于布线的最佳布局。在布局完成后，还可将设计文件及有关信息标注在原理图上，使PCB中的有关信息与原理图一致，以便今后的建档、更改设计能同步起来，同时对模拟的有关信息进行更新，使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。
PCB布局设计前，首先需要对所选用的组件及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全的了解；对各部件的位置应合理、仔细考虑，主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角度，以及走线短，交叉少，电源适配器、地的路径和去耦等方面考虑。在确定PCB尺寸后，再确定特殊组件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出组件应尽量远离。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。

（2）组件排列原则
布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。尽可能地减小环路面积，以抑制辐射干扰。按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集，以每个功能电路的核心组件为中心，围绕它来进行布局。各组件排列、分布要合理且均匀，力求整齐、美观，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。去耦电容尽量靠近器件的电源适配器引脚。在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且容易装焊，易于批量生产。电阻、二极管、管状电容器等组件有“立式”和“卧式”两种安装方式。
立式指的是组件体垂直于PCB安装和焊接，其优点是节省空间，在电路组件数较多，而且PCB尺寸不大的情况下，一般采用立式，立式安装时两个焊盘的间距一般取1/10～2/10英寸。
卧式指的是组件体平行且紧贴于PCB安装和焊接，其优点是组件安装的机械强度较好。在电路组件数量不多，而且PCB尺寸较大的情况下，一般是采用平放；对于1/4W以下的电阻平放时，两个焊盘的间距一般取4/10英寸，1/2W的电阻平放时，两个焊盘的间距一般取5/10英寸；二极管平放时，对于1N400X系列整流管，一般取3/10英寸；对于1N540X系列整流管，一般取4～5/10英寸。

（3）电位器和1C座的放置原则
电位器和1C座的放置原则如下：
①电位器。在电源适配器中用来调节输出电压的电位器，顺时针调节时则输出电压升高，逆时针调节时输出电压降低；在可调恒流充电器中，电位器应为顺时针调节时电流增大，逆时针调节时电流减小。电位器安放位置应当满足整机结构安装及面板布局的要求，应尽可能放置在PCB的边缘，旋转柄朝外。
②1C座。在设计PCB时，1C器件尽量直接焊在PCB上，少用数1C座。在使用IC座的场合下，一定要特别注意1C座上定位槽放置的方位是否正确，并注意各个1C脚位是否正确，如第1脚只能位于1C座的右下角或左上角，而且紧靠定位槽（从焊接面看）。
（4）进出接线端布置
相关联的两引线端不要距离太大，一般2/10～3/10英寸比较合适。
进出线端尽可能集中在1～2个侧面，不要过于离散。

2.板上器件布局
器件布局的第一个步骤是在板上放置器件，将噪声敏感器件和产生噪声器件分开放置。完成这个任务有两个准则：一是将电路中的器件分成两大类，即高速（大于40MHz）器件和低速器件。如果可能，将高速器件尽量靠近板的接插件和电源适配器放置；二是将上述两大类再分成三个子类，即纯数字、纯模拟和混合信号，将数字器件尽量靠近板的接插件和电源适配器放置。

PCB上元器件放置的通常顺序如下所示。
第1步：放置与结构有紧密配合的固定位置的元器件，如电源适配器插座、指示灯、开关、连接件之类，这些器件放置好后用软件的LOCK功能将其锁定，使之以后不会被误移动。
第2步：放置线路上的特殊组件和大的元器件，如发热组件、变压器、1C等。
第3步：元器件在PCB上的排向，原则上随着元器件类型的改变而变化，即同类元器件尽可能按相同的方向排列，以便元器件的贴装、焊接和检测。在PCB上，组件需均匀排放，避免轻重不均。
第4步：PCB的X、Y方向均要留出传送边，PCB上的所有元器件均放置在离板的边缘5mm以内或至少大于板的厚度，这是由于在插件生产的流水线和进行波峰焊时，要提供给导轨槽使用，尽量保证元器件的两端焊点同时接触波峰焊料。同时也为了防止由于外形加工引起边缘部分的缺损。如果PCB上的元器件过多，不得已要超出5mm范围时，可以在板的边缘加上5mm的辅边，辅边开V形槽。
第5步：PCB上若同时有高压电路和低压电路，则高压电路部分的元器件与低压部分要隔开放置，隔离距离与要承受的耐压有关。通常情况下，在2000kV时板上要距离2mm，若要承受更高的耐压测试，在此之上距离还要加大。例如，若要承受3000kV的耐压测试，则高、低压电路之间的距离应在3.5mm以上。许多情况下为避免爬电，还会在PCB上的高、低压之间开槽。
第6步：组件在PCB上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题，其原则是各部件之间的引线要尽量短。在布局上要把模拟信号部分、高速数字电路部分、噪声源部分（如继电器、大电流开关等）合理地分开，使相互间的信号耦合最小。
第7步：当尺寸相差较大的片状元器件相邻排列且间距很小时，较小的元器件在波峰焊时应排列在前面，先进入焊料波，避免尺寸较大的元器件遮蔽其后尺寸较小的元器件而造成漏焊。PCB上不同组件相邻的焊盘图形之间的最小间距应在1mm以上。

3.特殊器件布局
在确定特殊组件的位置时要遵守以下原则：
①尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出组件应尽量远离；
②某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引起意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
③质量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在PCB上，应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏组件应远离发热组件；
④对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调组件的布局应考虑整机的结构要求，若是机内调节，应放在PCB上方便调节的地方。若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。应留出PCB定位孔及固定支架所占用的位置。位于PCB边缘的元器件，离PCB边缘一般不小于2mm；
⑤PCB在机箱中的位置和方向。应保证发热量大的器件处在上方，I/O驱动电路尽量靠近PCB边；
⑥晶振要尽量靠近1C，且布线比较粗；晶振外壳接地；每个1C的电源适配器引脚要加旁路电容（一般为0.1uF）和滤波电容（10～100uF）。如有可能，在PCB的接口处加RC低通滤波器或EMI抑制组件（如磁珠、信号滤波器等），以消除连接线的干扰，但是要注意不要影响有用信号的传输。

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| 发布时间：2019.06.03 来源：电源适配器

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