开关电源PCB设计的组成部分和注意事项

今天给大家分享的是开关电源PCB设计、230V AC至5V DC 2A电源的PCB设计注意事项。

电源是为电子设备提供电压和电流水平的重要部件，在使用家用电源操作电子电路时，大部分时候我们需要将较高的交流电压输入转换为较低的直流电压，并根据输入和负载波动调节输出值。

这里主要是230V AC至5V DC 2A电源的PCB设计注意事项，这可能是一个非常有用的设计，相当于10W USB手机充电器。

一、开关电源 PCB 设计组成部分

整个电路可以分为以下几个部分：

1、带浪涌和过流保护的输入（R1、U2）：R1 MOV 充当输入浪涌保护器，通过自身传递浪涌电流，U2 保险丝用于电路内的故障保护。

2、整流部分（D1）：桥式二极管将交流电转换为直流电。

3、共模 EMI 抑制滤波器（C1、CM、C2）：通过CM 共模扼流圈抑制共模噪声。

4、驱动和开关电路（U1、C3）：开关元件（MOSFET）和MOSFET驱动电路。

5、钳位和欠压保护：（钳位：D2, D3；欠压：R2, R3）

6、输入-输出电流隔离 ：(T1)：将输入与输出隔离

7、整流和缓冲电路：（整流：D6，缓冲：R8，c4）

8、输出滤波器：（C6、C7、L2）

9、反馈电路：（U6、U10、R6、R7、R9、R10）：从输出反馈到稳压部分。

开关电源 PCB 设计

这里使用了一个简单的开关电源电路，该电路使用TNY286 开关 IC，其中包含 MOSFET 和 MOSFET 驱动器以及内部的一些其他安全功能。

二、为什么 PCB设计如此重要？

大多数电子电路包含微控制器或逻辑设备，它们应该在可靠的电压水平下工作。为了实现这种可靠性，不仅具有正确计算的原理图设计，而且PCB 设计对于实现预期结果也起着至关重要的作用。

由于这种开关模式设计包含一些具有高频开关电流的部分，因此采用适当的 PCB 设计来消除输出的电磁干扰变得更加重要。让我们来看看以下主题下描述的 PCB 设计注意事项。

PCB顶层图

PCB底层图

三、开关电源 PCB 设计注意事项

1、高压直流走线分离

由于高频开关，在开关电源中承载高压直流电的走线会给信号线增加更多的噪声。因此，这些线需要与信号线分开。在这个降压转换器设计中，直接从整流器到变压器的线路必须分开。最好使用电路板切口将这些线分开，将高压线和信号线更改为不同的层也是一个好的习惯。

突出显示的迹线是使用电路板切口的分离电源线

2、开关走线分离

开关电源包含MOSFET 和驱动器等功率元件，它们起着转换器的主要作用。当它们处于开关动作时，它们会向维持输出调节过程的信号线贡献大量噪声。在此设计中，MOSFET 和 MOSFET 驱动器集成到单个 TNY268PN IC 封装中。

你可以使用不同的层或电路板切口将反馈或其他信号线与这些线路分开。从 IC 的漏极引脚引出的线路是高频开关线路，该线路已使用物理电路板切口分开，如下图所示。

MOSFET 漏极引脚的开关输出与电路板切口分开

3、缩短长度并分离反馈走线

反馈线测量输出部分的电压或电流，这条线即使对于很小的变化也非常敏感。因此，嘈杂的电源线或开关线必须与反馈线分开。除此之外，保持反馈迹线的长度较短并避免不必要的更高宽度可以提高输出质量。

尽可能缩短反馈线的长度

4、相应地为电源迹线分配宽度

当涉及到电源设计或任何其他具有高电流消耗组件的设计时，PCB 上铜走线的宽度是一个重要的考虑因素。有一个最大电流可以通过走线，具体取决于以下因素。

铜层厚度（通常以盎司为单位）

铜走线的宽度

痕迹的温度

你可以使用以下公式计算最大载流能力：

面积 =（厚度 x 宽度 x 1.378）

Max_current = (kx (Temp_rise^b)) x (Area^c)

其中：k、b、c 是常量，

根据导电材料要求，内层的值如下：k = 0.048 b = 0.44 c = 0.725。

通常，承载大电流的迹线需要比承载信号的迹线具有更大的宽度。在进行适当的计算后，如果你知道每条迹线的最大电流，则可以分配这些宽度。在此开关电源PCB 设计中，保留了比反馈和其他信号线更宽的高压输入线和高载流输出直流线。

较大的宽度用于承载较大电流的走线

较大的宽度用于承载较大电流的走线（例如：电源走线）和较小的宽度用于承载小电流的走线（例如：信号线）。

5、在输入/输出附近放置去耦电容

添加滤波电容是任何电源中的另一个重要部分，用于消除开关电源和交流电源中的高频噪声分量。根据设计，输入和输出都可以包含滤波电容。它们必须放置在靠近 IC 的输入或输出连接器或信号引脚的位置。在这个设计中，在驱动器之前放置了输入滤波电容，C3 电容和 C7 输出滤波电容。

输入滤波电容放置在驱动IC附近，输出电容放置在输出端口附近

6、变压器焊盘和电感焊盘之间的分离

对于 AC-DC 开关电源电路，输入与输出的分离由变压器通过提供电流隔离来完成。它还减少了开关输出的纹波。PCB 中此变压器的初级和次级焊盘之间必须有足够的距离才能获得更好的效果。因此，最好有物理 PCB 板切口或良好的分离，如下图 PCB 所示。

连接到开关输出端的电感在电路的输出侧也起着重要作用。在电感焊盘之间布置任何走线并不是一个好的做法，因为这些走线在高频电流通过电感时可能会受到 EMI 的影响。

在变压器焊盘之间放置电路板切口，不要清洁电感焊盘之间的信号线

在变压器焊盘之间放置电路板切口，不要清洁电感焊盘之间的信号线。

7、地平面分离

当涉及在带有反馈信号的电源 PCB 中添加铜区（覆铜）时，特别是通过覆铜连接接地路径时，你可能需要注意避免接地反弹。接地反弹是由于许多外部因素（如相邻开关元件）导致的具有跳动电压图的电路的接地参考值的偏差。

示波器上的接地反弹图

即使开关电源的接地连接对于电气连接中的整个电路都是相同的，它也可以分为两条路径，即承载较高电流和较高噪声分量的电源接地和承载较低电流以用于反馈和调节过程的模拟接地。如果你希望将覆铜添加到地平面，最好添加分离的地平面以避免从电源地到模拟地的噪声。

底层放置了电源地

顶层放置了模拟地

这里在底层放置了电源地，在顶层放置了模拟地。你可以根据电路的性质将这些东西用于其他应用程序，以达到更好的效果。

审核编辑：汤梓红