微機(jī)保護(hù)測控供電裝置PCB 板設(shè)計(jì)技巧

王程有，董 芳

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052;2.鄭州鐵路局鄭州供電段，河南 鄭州 450052)

“微機(jī)保護(hù)測控供電裝置研制”是根據(jù)國家骨干高職院校骨干專業(yè)“電氣化鐵道技術(shù)”核心課程繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)需要，由學(xué)院立項(xiàng)的科研課題。它是專為微機(jī)保護(hù)測控屏而研制的供電裝置。該測控屏要求該供電裝置:一要具備直流110V/5A固定輸出，二要噪聲低;三要可靠性高;四要抗干擾強(qiáng)。微機(jī)保護(hù)測控供電裝置印刷電路板(簡稱PCB板)的設(shè)計(jì)，是本課題整體設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，要求電磁兼容要設(shè)計(jì)得當(dāng)，避免產(chǎn)生過多的電磁干擾，從而使開關(guān)電源穩(wěn)定工作;更要做好熱設(shè)計(jì)，降低器件的故障率，提高設(shè)備的可靠性?？v觀PCB 板的設(shè)計(jì)、制作、實(shí)驗(yàn)過程，經(jīng)驗(yàn)頗多，本文把自己設(shè)計(jì)PCB 板的技巧作一個總結(jié)，以供借鑒。

1 精心布局布線，減少電磁干擾

1.1 布局

由于變壓器尺寸較大，又是發(fā)熱元件，故要首先考慮變壓器放置;其次對整流器輸出電流回路及交流電源電路的控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì);最后設(shè)計(jì)輸入電流源回路、輸入濾波器及輸出負(fù)載回路、輸出濾波器。布局元器件時，主要考慮印制板尺寸，方便焊接，電路的單元功能，高頻干擾等因素。

(1)印制板大小要適中。如果印制板尺寸過大，印制線必然要增長，這將使阻抗增加，造成噪聲增大;如果印制板尺寸過小，元件擁擠，臨近線條容易互相干擾。電路板一般設(shè)計(jì)成矩形，長與寬的最佳比例一般為3∶2 或4∶3。關(guān)于電路板邊緣，元器件離電路板邊緣一般不小于2mm。

(2)器件不要太密集，要考慮焊接方便。

(3)元件要先布置核心元件，再以此為中心進(jìn)行布局。元件間隔要均勻，排列要整齊，分布要緊湊，各元件之間的引線和連接要盡量縮短，特別要引起注意的是濾波電容的放置，一般要盡量靠近VCC。

(4)布局高頻工作電路元器件時，一般要平行排列元器件，這樣可以減少器件間的分布參數(shù)。

(5)各個功能電路單元位置布局時，要考慮信號流通方便，要盡可能使信號方向一致。

(6)自動布線飛線之后，手工移動器件時要把有連線關(guān)系的器件放在一起，這樣可以提高布線的布通率。

(7)要降低開關(guān)電源輻射，必須在減小環(huán)路面積上下功夫。

1.2 布線

(1)在滿足電路性能、整機(jī)安裝及面板布局要求的同時，考慮到生產(chǎn)過程中需要利用焊接面進(jìn)行各種參數(shù)的檢測，布線方向應(yīng)與電路圖走線方向大體一致，這樣從焊接面看元件的排列方位與原理圖保持大體一致。

(2)設(shè)計(jì)布線圖時，走線盡量減少拐彎，印刷弧上的線條寬度不要突變，導(dǎo)線拐彎角度應(yīng)大于或等于90 度，線條盡量簡單明了。

(3)“交叉”不允許在印刷電路中出現(xiàn)，如果實(shí)在無法避免，要用“鉆孔”、“迂回”等方法解決。例如讓某條引線從其它電阻(電容、三極管)腳下的空隙處“鉆”到另一面，或從可能交叉的某條引線的一端“迂回”過去，如果電路較為復(fù)雜，在特殊情況下為簡化設(shè)計(jì)可以用導(dǎo)線跨接解決交叉問題。若采用單面板，直插元件位于頂層面，表貼器件位于底層面，這種情況下表貼器件可與直插器件交疊，但要注意避免焊盤重疊現(xiàn)象。

1.3 布線長度和寬度

(1)高頻信號在開關(guān)電源中大量存在，印制電路板上任何印制線都相當(dāng)于天線，印制線的長度和寬度會影響其阻抗和感抗的大小，從而影響頻率響應(yīng)。即使是直流信號的印制線也會輻射出干擾信號，因?yàn)樗鼤秽徑挠≈凭€耦合到射頻信號。故應(yīng)將所有通過交流電流的印制線設(shè)計(jì)得盡可能短些，盡可能寬些，要將所有連接到印制線和連接到其他電源線的元器件放置得盡量近些。

(2)印制線電感量和阻抗與其長度成正比，而與其寬度成反比。印制線響應(yīng)的波長受印制線長度制約，印制線長度越長，它所發(fā)送(接收)電磁波的頻率越低，輻射出的射頻能量越大。所以要依據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線的寬度，減少其環(huán)路電阻，同時使電源線、地線的走向和電流的方向一致，這樣可以使抗噪聲能力有所增強(qiáng)。

1.4 接地線設(shè)計(jì)

接地是開關(guān)電源中四個電流回路的底層支路，是電路的公共參考點(diǎn)，在控制干擾方面起著很重要的作用，在布局中應(yīng)認(rèn)真考慮放置接地線。注意不要將各種接地混合，這樣會造成電源工作不穩(wěn)定。

(1)要正確選擇單點(diǎn)接地。在開關(guān)電源中，印刷線路布線和器件間的電感影響并不大，影響較大的是接地電路形成的環(huán)流。因而要采用單點(diǎn)接地，即將電流回路中的幾個器件的地線都連到接地腳上，同樣地，輸出整流器電流回路的幾個器件的地線也要接到相應(yīng)的濾波電容的接地腳上。實(shí)在做不到單點(diǎn)接地時，可將兩個二極管或一個小電阻接到共地處，或接在比較集中的一塊銅箔處，這樣電源工作穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生自激。

(2)要盡量加粗接地線

若用很細(xì)的接地線，電流變化會引起接地電位變化，致使設(shè)備的定時信號電平不穩(wěn)定，噪聲高，性能變壞。因此，要用盡量短而寬的印制線使每一個大電流接地，而且要盡量使電源線和接地線加寬，接地線要比電源線更寬，它們的寬度關(guān)系是:地線＞電源線＞信號線，如果有可能，接地線的寬度可＞3mm，或者用大面積銅層作地線用，甚至相連接的地線可以把沒被用上的印制板全用上。

2 完善熱設(shè)計(jì)，降低器件故障率

2.1 采用較好的布線結(jié)構(gòu)形式

印刷電路板一般要選用導(dǎo)熱系數(shù)較小的絕緣材料?？諝鈱α骱洼椛涫侵饕嵬緩?。加大覆銅面積能夠加大熱量散發(fā)，必要的話要采取外加的散熱裝置。目前，金屬夾心印刷板、導(dǎo)熱條印刷板和導(dǎo)熱板印刷板已被研制出來并推廣使用?？傊?，一些新型材料和結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為解決印刷線路板的散熱問題提供了可能。

2.2 元件布置有講究

在印刷線路板上裝配的元件有發(fā)熱量大的，也有發(fā)熱量小的。要減小熱阻，就必須根據(jù)元器件發(fā)熱量大小進(jìn)行合理布局。

同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，諸如規(guī)模集成電路、功率晶體管這些發(fā)熱量大或耐熱性好的器件，易放在冷卻氣流最下游;諸如電解電容、小規(guī)模集成電路、小信號晶體管等發(fā)熱量小或耐熱性差的器件，易放在冷卻氣流的最上流入口處。

印制板直立安裝比較利于散熱，板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm，器件在印制板上的排列要遵循一定的規(guī)則，盡可能將耗能元器件位置分散。若設(shè)備采用自由對流空氣冷卻，盡可能加大元器件的熱流通道，集成電路(或其他器件)按縱長方式排列有利于散熱;若設(shè)備采用強(qiáng)制空氣冷卻，最好是將集成電路(或其它器件)按橫長方式排列。

在水平方向上，為縮短傳熱路徑，大功率器件盡量布置在靠近印制板邊沿;在垂直方向上，為減少器件工作時對其他器件溫度的影響，大功率器件盡量靠近印制板上方布置;溫度比較敏感的器件(如設(shè)備的底部)安置在溫度最低的區(qū)域，千萬不要將它安放在發(fā)熱元器件的上方。

總之，器件排列方式合理，印制電路的溫升可以有效地降低。

3 結(jié)束語

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，開關(guān)電源PCB 必須精心設(shè)計(jì)。電磁兼容設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以避免過多的電磁干擾，使開關(guān)電源穩(wěn)定工作;熱設(shè)計(jì)完備，可以使器件及設(shè)備的故障率明顯下降。

［1］周志敏，周紀(jì)海.開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［2］吳昕，錢照明.開關(guān)電源印刷電路板電磁兼容問題的研究［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2001，23(2):181-186.