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資深工程師分享干貨：64個(gè)開關(guān)電源設(shè)計(jì)技巧

發(fā)布時(shí)間：2019-01-15 責(zé)任編輯：xueqi

【導(dǎo)讀】開關(guān)電源設(shè)計(jì)后，產(chǎn)品質(zhì)量與設(shè)計(jì)息息相關(guān)，后續(xù)所有的部門都將與設(shè)計(jì)對(duì)接，采購部、生產(chǎn)部、PM、品管部、業(yè)務(wù)部、工程部等眾多部門都將配合工作。一旦出現(xiàn)差池，會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)。所以面對(duì)這座大山，我們應(yīng)當(dāng)對(duì)細(xì)節(jié)引起重視。一位資深工程師將分享64個(gè)開關(guān)電源設(shè)計(jì)技巧。

1. 變壓器圖紙、PCB、原理圖這三者的變壓器飛線位號(hào)需一至。

理由：安規(guī)認(rèn)證要求

這是很多工程師在申請(qǐng)安規(guī)認(rèn)證提交資料時(shí)會(huì)犯的一個(gè)毛病。

2.X電容的泄放電阻需放兩組。

理由：UL62368、CCC認(rèn)證要求斷開一組電阻再測(cè)試X電容的殘留電壓

很多新手會(huì)犯的一個(gè)錯(cuò)誤，修正的辦法只能重新改PCB Layout，浪費(fèi)自己和采購打樣的時(shí)間。

3.變壓器飛線的PCB孔徑需考慮到最大飛線直徑，必要是預(yù)留兩組一大一小的PCB孔。

理由：避免組裝困難或過爐空焊問題

因?yàn)榘惨?guī)申請(qǐng)認(rèn)證通常會(huì)有一個(gè)系列，比如說24W申請(qǐng)一個(gè)系列，其中包含4.2V-36V電壓段，輸出低壓4.2V大電流和高壓36V小電流的飛線線徑是不一樣的。

多根飛線直徑計(jì)算參考如下表格：

4.輸出的DC線材的PCB孔徑需考慮到最大線材直徑。

理由：避免組裝困難

因?yàn)槟愕腜CB可能會(huì)用在不同電流段上，比如5V/8A，和20V/2A，兩者使用的線材是不一樣的

參考如下表格：

5.電路調(diào)試，OCP限流電阻多個(gè)并聯(lián)的阻值要設(shè)計(jì)成一樣。

理由：阻值越大的那顆電阻承受的功率越大

6.電路設(shè)計(jì)，散熱片引腳的孔做成長方形橢圓形(經(jīng)驗(yàn)值：2*1mm)。

理由：避免組裝困難

橢圓形的孔方便散熱器有個(gè)移動(dòng)的空間，這對(duì)組裝和過爐是非常有利的。

7.電路調(diào)試，異常測(cè)試時(shí)，輸出電壓或OVP設(shè)計(jì)要小于60Vac(Vpk)/42.4Vdc(Vrms)。

理由：安規(guī)要求

這個(gè)新手比較容易忽略，所以申請(qǐng)認(rèn)證的產(chǎn)品一定要做OVP測(cè)試，抓輸出瞬間波形。

8.電路設(shè)計(jì)，電解電容的防爆孔距離大于2mm，臥式彎腳留1.5mm。

理由：品質(zhì)提升

一般正規(guī)公司都有這個(gè)要求，防爆孔的問題日本比較重視，特殊情況除外。

9.電路調(diào)試，輸出有LC濾波的電路需要老化確認(rèn)紋波，如果紋波異常請(qǐng)調(diào)整環(huán)路。

理由：驗(yàn)證產(chǎn)品穩(wěn)定性

這個(gè)很重要，我之前經(jīng)常碰到這個(gè)問題，產(chǎn)線老化后測(cè)試紋波會(huì)變高，現(xiàn)象是環(huán)路震蕩。

10.電路調(diào)試，二極管并聯(lián)時(shí),應(yīng)該測(cè)試一顆二極管故障開路時(shí), 產(chǎn)生的異常(包括TO-220 里的兩顆二極管)。

理由：品質(zhì)提升

小公司一般都不會(huì)做這個(gè)動(dòng)作的，一款優(yōu)秀的產(chǎn)品是要經(jīng)得起任何考驗(yàn)的。

11.電路設(shè)計(jì)，如果PCB空間充裕，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)成通殺所有安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

理由：減少PCB修改次數(shù)。

如果你某一產(chǎn)品是符合UL60335標(biāo)準(zhǔn)，哪天客戶希望滿足UL1310，這時(shí)你又得改PCB Layout拿去安規(guī)報(bào)備了，如果你畫的板符合各類標(biāo)準(zhǔn)，后面的工作會(huì)輕松很多。

12.電路設(shè)計(jì)，關(guān)于ESD請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)成接觸±8KV/空氣±15KV標(biāo)準(zhǔn)。

理由：減少后續(xù)整改次數(shù)。

像飛利浦這樣的客戶都要求ESD非常嚴(yán)的，聽說富士康的還需要達(dá)到±20KV，哪天有這種客戶要求，你又得忙一段時(shí)間了。

13.電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，VCC電壓在輕載電壓要大于IC的欠壓關(guān)斷電壓值。

判斷空載VCC電壓需大于芯片關(guān)斷電壓的5V左右，同時(shí)確認(rèn)滿載時(shí)不能大于芯片過壓保護(hù)值

14.電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)共用變壓器需考慮到使用最大輸出電壓時(shí)的VCC電壓，低溫時(shí)VCC有稍微NOSIE會(huì)碰觸OVP動(dòng)作。

如果你的產(chǎn)品9V-15V是共用一個(gè)變壓器，請(qǐng)確認(rèn)VCC電壓，和功率管耐壓

15.電路調(diào)試，Rcs與Ccs值不能過大，否則會(huì)造成VDS超過最大耐壓炸機(jī)。

LEB前沿消隱時(shí)間設(shè)短了，比尖峰脈沖的時(shí)間還短，那就沒有效果了還是會(huì)誤判；如果設(shè)長了，真正的過流來了起不到保護(hù)的作用。

Rcs與Ccs的RC值不可超過1NS的Delay，否則輸出短路時(shí)，Vds會(huì)比滿載時(shí)還高，超過MOSFET最大耐壓就可能造成炸機(jī)。

經(jīng)驗(yàn)值1nS的Delay約等于1K對(duì)100PF，也等于100R對(duì)102PF

16.畫小板時(shí)，在小板引腳的90度拐角處增加一個(gè)圓形鉆孔。

理由：方便組裝

如圖：

實(shí)物如圖：

實(shí)際組裝如圖：

這樣做可以使小板與PCB大板之間緊密貼合，不會(huì)有浮高現(xiàn)象

17.電路設(shè)計(jì)，肖特基的散熱片可以接到輸出正極線路，這樣鐵封的肖特基就不用絕緣墊和絕緣粒

18.電路調(diào)試，15W以上功率的RCD吸收不要用1N4007，因?yàn)?N4007速度慢300uS，壓降也大1.3V，老化過程中溫度很高，容易失效造成炸機(jī)

19.電路調(diào)試，輸出濾波電容的耐壓致少需符合1.2倍余量，避勉量產(chǎn)有損壞現(xiàn)象。

之前是犯了這個(gè)很低級(jí)的錯(cuò)誤，14.5V輸出用16V耐壓電容，量產(chǎn)有1%的電容失效不良。

20.電路設(shè)計(jì)，大電容或其它電容做成臥式時(shí)，底部如有跳線需放在負(fù)極電位，這樣跳線可以不用穿套管。

這個(gè)可以節(jié)省成本。

21.整流橋堆、二極管或肖特基，晶元大小元件承認(rèn)書或在BOM表要有描述，如67mil。

理由：管控供應(yīng)商送貨一至性，避免供應(yīng)商偷工減料，影響產(chǎn)品效率

另人煩腦的就是供應(yīng)商做手腳，導(dǎo)致一整批試產(chǎn)的產(chǎn)品過不了六級(jí)能效，原因就是肖特基內(nèi)部晶元用小導(dǎo)致。

22.電路設(shè)計(jì)，Snubber 電容，因?yàn)橛挟愐魡栴}，優(yōu)先使用Mylar電容。

處理異音的方法之一

23.浸漆的TDK RF電感與未浸漆的鼓狀差模電感，浸漆磁芯產(chǎn)生的噪音要小12dB

處理異音的方法之二

24.變壓器生產(chǎn)時(shí)真空浸漆，可以使其工作在較低的磁通密度，使用環(huán)氧樹脂黑膠填充三個(gè)中柱上的縫隙

處理異音的方法之三

25.電路設(shè)計(jì)，啟動(dòng)電阻如果使用在整流前時(shí),要加串一顆幾百K的電阻。

理由：電阻短路時(shí),不會(huì)造成IC和MOSFET損壞。

26.電路設(shè)計(jì)，高壓大電容并一顆103P瓷片電容位置。

理由：對(duì)幅射30-60MHz都有一定的作用。

空間允許的話PCB Layout留一個(gè)位置吧，方便EMI整改

27.在進(jìn)行EMS項(xiàng)目測(cè)試時(shí)，需測(cè)試出產(chǎn)品的最大程序，直到產(chǎn)品損壞為止。

例如ESD 雷擊等，一定要打到產(chǎn)品損壞為止，并做好相關(guān)記錄，看產(chǎn)品余量有多少，做到心中有數(shù)

28.電路設(shè)計(jì)，異常測(cè)試時(shí)，短路開路某個(gè)元件如果還有輸出電壓則要進(jìn)行LPS測(cè)試，過流點(diǎn)不能超過8A。

超過8A是不能申請(qǐng)LPS的

29.安規(guī)開殼樣機(jī)，所有可選插件元件要裝上供拍照用，L、N線和DC線與PCB要點(diǎn)白膠固定。

這個(gè)是經(jīng)常犯的一個(gè)毛病，經(jīng)常一股勁的把樣品送到第三方機(jī)構(gòu)，后面來來回回改來改去的

30.電路調(diào)試，冷機(jī)時(shí)PSR需1.15倍電流能開機(jī)，SSR需1.3倍電流能開機(jī)，避免老化后啟動(dòng)不良

PSR現(xiàn)在很多芯片都可以實(shí)現(xiàn)“零恢復(fù)”OCP電流，比如ME8327N，具有“零恢復(fù)”OCP電流功能

31.電路設(shè)計(jì)，請(qǐng)注意使用的Y電容總?cè)萘?不能超過222P, 因?yàn)橛新╇娏鞯挠绊?/div>

針對(duì)不同安規(guī)，漏電流要求也不一樣，在設(shè)計(jì)時(shí)需特別留意

32.反激拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，變壓器B值需小于3500高斯，如果變壓器飽和一切動(dòng)作將會(huì)失控，如下，上圖為正常，下圖為飽和。

變壓器的磁飽和一定要確認(rèn)，重重之重，這是首條安全性能保障，包括過流點(diǎn)的磁飽和、開機(jī)瞬間的磁飽和、輸出短路的磁飽和、高溫下的磁飽和、高低壓的磁飽和。

33.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，散熱片使用螺絲固定參考以下表格設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)增加0.5-1mm余量，參考如下表格：

BOM表上寫的螺絲規(guī)格一定要對(duì)，不然量產(chǎn)時(shí)會(huì)讓你難受

34.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，AC PIN焊線材的需使用勾焊，如果不是則要點(diǎn)白膠固定。

理由：安規(guī)要求

經(jīng)常被第三方機(jī)構(gòu)退回樣品，整改

35.傳導(dǎo)整改，分段處理經(jīng)驗(yàn)，如下圖，這只是處理的一種方法，有些情況并不是能直接套用

36.輻射整改，分段處理經(jīng)驗(yàn)，如下圖，適合一些新手工程師，提供一個(gè)參考的方向，有些情況并不是能直接套用，最主要的還是要搞清楚EMI產(chǎn)生的機(jī)理。

37.關(guān)于PCB碰到的問題，如圖，為什么99SE畫板覆銅填充的時(shí)候填不滿這個(gè)位置？像是有死銅一樣

D1這個(gè)元件有個(gè)文字描述的屬性放在了頂層銅箔，如圖

把它放到頂層絲印后，完美解決。

38.變壓器銅箔屏蔽主要針對(duì)傳導(dǎo)，線屏蔽主要針對(duì)輻射，當(dāng)傳導(dǎo)非常好的時(shí)候，有可能你的輻射會(huì)差，這個(gè)時(shí)候把變壓器的銅箔屏蔽改成線屏蔽，盡量壓低30M下降的位置，這樣整改輻射會(huì)快很多。

EMI整改技巧之一

39.測(cè)試輻射的時(shí)候，多帶點(diǎn)不同品牌的MOS、肖特基。有的時(shí)候只差2、3dB的時(shí)候換一個(gè)不同品牌會(huì)有驚喜。

EMI整改技巧之二

40.VCC上的整流二極管，這個(gè)對(duì)輻射影響也是很大的。

一個(gè)慘痛案例，一款過了EMI的產(chǎn)品，余量都有4dB以上，量產(chǎn)很多次了，其中有一次量產(chǎn)抽檢EMI發(fā)現(xiàn)輻射超1dB左右，不良率有50%，經(jīng)過層層排查、一個(gè)個(gè)元件對(duì)換。最終發(fā)現(xiàn)是VCC上的整流二極管引發(fā)的問題，更換之前的管子（留低樣品），余量有4dB。對(duì)不良管子分析，發(fā)現(xiàn)管子內(nèi)部供應(yīng)商做了鏡像處理。

41.一個(gè)冷知識(shí)，如何測(cè)量PCB的銅箔厚度？

方法：在PCB板上找一條光滑且長的線條，測(cè)量其長度L，再測(cè)寬度W，再用DC源加1A電流在其兩端測(cè)得壓降U

依據(jù)電阻率公式得出以下公式：

例：取一段PCB銅箔，長度L為40mm，寬度為10mm，其通過1A電流兩端壓降為0.005V，求該段銅箔厚度為多少um？

42.一款36W適配器的EMI整改案例，輸出12V/3A，多圖對(duì)比，整改花費(fèi)時(shí)間3周。

變壓器繞法一：Np1→VCC→Ns1→Ns2→銅屏蔽0.9Ts→Np2

PCB關(guān)鍵布局：Y電容地→大電容地，變壓器地→Vcc電容→大電容地

注：變壓器所有出線沒有交叉

圖一（115Vac）

圖一所示可以看到，130-200M處情況并不樂觀；

130-200M主要原因在于PCB布局問題和二次側(cè)的肖特基回路，改其它地方作用不大，肖特基套磁珠可以完全壓下來，圖忘記保存了。

為了節(jié)約成本，公司并不讓我這樣做，因?yàn)樘状胖橛绊懥顺杀?，?dāng)即NG掉此PCB布局，采用圖一a方式PCB關(guān)鍵布局走線。

變壓器繞法不變：Np1→VCC→Ns1→Ns2→銅屏蔽0.9Ts→Np2

PCB關(guān)鍵布局：Y電容地→變壓器地→大電容地

注：變壓器內(nèi)部的初級(jí)出線及次級(jí)出線有交叉

圖一a （115Vac）

圖一a可以看出，改變PCB布局后130M-200M已經(jīng)完全被衰減，但是30-130M沒有圖一效果好，可能變壓器出線無交叉好一些。仔細(xì)觀察，此IC具有抖頻功能，傳導(dǎo)部分頻段削掉了一些尖峰；

圖一b（230Vac）

圖一b可以看到，輸入電壓在230Vac測(cè)試時(shí)，65M和83M位置有點(diǎn)頂線（紅色線）

圖一b-1（230Vac）

原邊吸收電容由471P加大到102P，65M位置壓下來一點(diǎn)，后面還是有點(diǎn)高，如圖一b-1所示；

圖一b-2（230Vac）

變壓器屏蔽改成線屏蔽（0.2*1*30Ts）,后面完全衰減，如圖一b-2；

圖一b-3（115Vac）

115Vac輸入測(cè)試，后面150M又超了，發(fā)克！高壓好了低壓又不行，惱火??！看來這招不行；

圖一b-4（115Vac）

變壓器屏蔽還是換成銅箔屏蔽（圈數(shù)由0.9Ts改成1.3Ts），效果不錯(cuò)，如圖一b-4所示。

圖一b-5（230Vac）

115Vac輸入測(cè)試，測(cè)試通過。

結(jié)論：

一：變壓器出線需做到不交叉；

二：Y電容回路走線越短越好先經(jīng)過變壓器地再回到大電容地，不與其它信號(hào)線交叉；

43.一款48W（36V/1.33A）整改EMI案例，僅僅是調(diào)整了肖特基吸收就把30-40M壓下來。

115Vac低壓30M紅色頂線

230Vac高壓30M紅色也頂線

調(diào)整肖特基吸收后：

115Vac低壓，走勢(shì)圖非常漂亮

230Vac高壓，走勢(shì)圖非常漂亮

44.安規(guī)距離一覽表。

45.剛?cè)腴T使用CAD、PADS上容易遇到的問題。

a..PADS畫好的PCB導(dǎo)出為DXF文件，CAD打開后是由雙線組成的空心線段，如圖：

剛開始不會(huì)時(shí)，是用L命令一根一根的描，狂汗。。

使用多次后，解決方法是使用X命令就可以變成單根線

b..CAD圖檔線框轉(zhuǎn)PADS做PCB外框圖方法：

step1．在CAD里面刪掉沒有的線，只剩下板框，其它線也可以不刪。

step2．在鍵盤上敲PE，回車，鼠標(biāo)點(diǎn)中其中一邊，再敲Y，回車，再敲J，回車，拖動(dòng)鼠標(biāo)把整個(gè)板框選中，回車，按Esc鍵退出此模式。

step3．比例調(diào)整，SC 按空格，選取整個(gè)板框，按空格，任意地方單擊鼠標(biāo)一下, 比例: 39.37 ，按空格。

46.在畫PCB定義變壓器腳位時(shí)，要考慮到變壓器的進(jìn)線和出線是否會(huì)交叉，因?yàn)楦骼@組之間的繞線在邊界處存在有45-90度的交叉，需在交叉出線處加一個(gè)套管到pin腳。

47.PCB的熱點(diǎn)區(qū)域一定要遠(yuǎn)離輸入、輸出端子，防止噪聲源串到線上導(dǎo)致EMI變差，在不得已而為之時(shí)，可增加地線或其它屏蔽方式進(jìn)行隔離，如下圖增加了一條地線進(jìn)行有效隔離。

需注意這條地線的安全距離。

48.驅(qū)動(dòng)電阻盡量靠近MOS、電流采樣的電阻盡量靠近芯片，避免產(chǎn)生其它看不到的后果。

PCB布局鐵律

49.分享一個(gè)輻射整改案例，一個(gè)長條形散熱片有2個(gè)腳，2只腳都接地，輻射硬是整不過，后來把其中一只腳懸空，輻射頻段變好。后面分析原因是2只腳接地會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)回路。

這個(gè)整改花了很多錢

50.配有風(fēng)扇的電源，PCB布局要考慮風(fēng)路。

一定要讓風(fēng)跑出去

51.棒型電感兩條腿之間，切記，切記，切記，禁止走弱信號(hào)走線，否則發(fā)生的意外你都找不到原因。

切記，以前在這上面吃了大虧

52.變壓器磁芯形狀選用小結(jié)

a..EE，EI，EF，EEL類，常用來制作中小功率的變壓器，成本低，工藝簡單

b..EFD，EPC類，常用來制作對(duì)高度有限制的產(chǎn)品，適合做中小功率類

c..EER，ERL，ETD類，常用來制作大中型功率的變壓器，特別適合用來制作多路輸出的大功率主變壓器，且變壓器漏感較小，比較容易符合安規(guī)

d..PQ，EQ，LP類，該磁芯的中間柱較一般的磁芯要大，產(chǎn)品漏感較小，適合做小體積大功率的變壓器，輸出組數(shù)不能過多

e..RM，POT類，常用來制作通訊類或中小功率高頻變壓器，本身的磁屏蔽很好，容易滿足EMC特性

f..EDR類，一般常用于LED驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)品厚度要求薄，變壓器制做工藝復(fù)雜

53.某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。

如反激一次側(cè)的高壓MOS的D、S之間距離，依據(jù)公式500V對(duì)應(yīng)0.85mm，DS電壓在700V以下是0.9mm，考慮到污染和潮濕，一般取1.2mm

54.如果TO220封裝的MOS的D腳串了磁珠，需要考慮T腳增加安全距離。

之前碰到過炸機(jī)現(xiàn)象，增加安全距離后解決了，因?yàn)榇胖槿菀渍瓷蠚埩粑?/div>

55.發(fā)一個(gè)驗(yàn)證VCC的土方法，把產(chǎn)品放低溫環(huán)境（冰箱）幾分鐘，測(cè)試VCC波形電壓有沒有觸發(fā)到芯片欠壓保護(hù)點(diǎn)。

小公司設(shè)備沒那么全，有興趣的可以做個(gè)對(duì)比，看看VCC差異有多大

關(guān)于VCC圈數(shù)的設(shè)計(jì)需要考慮很多因素

56.在變壓器底部PCB加通風(fēng)孔，有利于散熱，小板也一樣，要考慮風(fēng)路。

在安規(guī)認(rèn)證，變壓器溫度超了2度左右時(shí)，可以用這個(gè)方法

57.跳線旁邊有高壓元件時(shí)，應(yīng)要保持安全距離，特別是容易活動(dòng)或歪斜的元件。

保證產(chǎn)品量產(chǎn)時(shí)的穩(wěn)定性

58.輸出大電解底部不得已要走跳線時(shí)，跳線應(yīng)是低壓或是地線，為防止過波峰焊燙傷電容，一般加套管。

設(shè)計(jì)的時(shí)候盡量避免電容底部走跳線，因?yàn)樵黾映杀竞碗[患

59.高頻開關(guān)管平貼PCB時(shí)，PCB另一面不要放芯片等敏感器件。

理由：開關(guān)管工作時(shí)容易干擾到背部的芯片，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，其它高頻器件同理

60.輸出的DC線在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，要設(shè)計(jì)成長短一至，焊盤孔間隔要小。

理由：SR的尾部留長是一樣長的，當(dāng)兩個(gè)焊盤孔間隔太遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)造成不方便生產(chǎn)焊接

61.MOS管、變壓器遠(yuǎn)離AC端，改善EMI傳導(dǎo)。

理由：高頻信號(hào)會(huì)通過AC端耦合出去，從而噪聲源被EMI設(shè)備檢測(cè)到引起EMI問題

62.驅(qū)動(dòng)電阻應(yīng)靠近MOS管。

理由：增加抗干擾能力，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性

63.一個(gè)恒壓恒流帶轉(zhuǎn)燈的PCB設(shè)計(jì)走線方法和一個(gè)失敗案例。

PCB設(shè)計(jì)走線方法請(qǐng)看圖：

(a) 地線的Layout原則

如(1)(2)(3)綠線所示，R11的地和R14的地連接到芯片的地，再連接到EC4電解電容的地。注意不可連到變壓器的地，因?yàn)樽儔浩鞔渭?jí)A->D3->EC4->次級(jí)B形成功率環(huán)，如果ME4312芯片的地接到次級(jí)B線到EC4電容之間，受到較強(qiáng)的di/dt干擾會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定等因素。

失敗案例：