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资深工程师分享干货：64个开关电源设计技巧

发布时间：2019-01-15 责任编辑：xueqi

【导读】开关电源设计后，产品质量与设计息息相关，后续所有的部门都将与设计对接，采购部、生产部、PM、品管部、业务部、工程部等众多部门都将配合工作。一旦出现差池，会产生非常严重的连锁反应。所以面对这座大山，我们应当对细节引起重视。一位资深工程师将分享64个开关电源设计技巧。
 
1. 变压器图纸、PCB、原理图这三者的变压器飞线位号需一至。
 
理由：安规认证要求
 
这是很多工程师在申请安规认证提交资料时会犯的一个毛病。
 
2.X电容的泄放电阻需放两组。
 
理由：UL62368、CCC认证要求断开一组电阻再测试X电容的残留电压
 
很多新手会犯的一个错误，修正的办法只能重新改PCB Layout，浪费自己和采购打样的时间。
 
3.变压器飞线的PCB孔径需考虑到最大飞线直径，必要是预留两组一大一小的PCB孔。
 
理由：避免组装困难或过炉空焊问题
 
因为安规申请认证通?；嵊幸桓鱿盗?，比如说24W申请一个系列，其中包含4.2V-36V电压段，输出低压4.2V大电流和高压36V小电流的飞线线径是不一样的。
 
多根飞线直径计算参考如下表格：
 
 
4.输出的DC线材的PCB孔径需考虑到最大线材直径。
 
理由：避免组装困难
 
因为你的PCB可能会用在不同电流段上，比如5V/8A，和20V/2A，两者使用的线材是不一样的
 
参考如下表格：
 
 
5.电路调试，OCP限流电阻多个并联的阻值要设计成一样。
 
理由：阻值越大的那颗电阻承受的功率越大
 
6.电路设计，散热片引脚的孔做成长方形椭圆形(经验值：2*1mm)。
 
理由：避免组装困难
 
椭圆形的孔方便散热器有个移动的空间，这对组装和过炉是非常有利的。
 
7.电路调试，异常测试时，输出电压或OVP设计要小于60Vac(Vpk)/42.4Vdc(Vrms)。
 
理由：安规要求
 
这个新手比较容易忽略，所以申请认证的产品一定要做OVP测试，抓输出瞬间波形。
 
8.电路设计，电解电容的防爆孔距离大于2mm，卧式弯脚留1.5mm。
 
理由：品质提升
 
一般正规公司都有这个要求，防爆孔的问题日本比较重视，特殊情况除外。
 
9.电路调试，输出有LC滤波的电路需要老化确认纹波，如果纹波异常请调整环路。
 
理由：验证产品稳定性
 
这个很重要，我之前经常碰到这个问题，产线老化后测试纹波会变高，现象是环路震荡。
 
10.电路调试，二极管并联时,应该测试一颗二极管故障开路时, 产生的异常(包括TO-220 里的两颗二极管)。
 
理由：品质提升
 
小公司一般都不会做这个动作的，一款优秀的产品是要经得起任何考验的。
 
11.电路设计，如果PCB空间充裕，请设计成通杀所有安规标准。
 
理由：减少PCB修改次数。
 
如果你某一产品是符合UL60335标准，哪天客户希望满足UL1310，这时你又得改PCB Layout拿去安规报备了，如果你画的板符合各类标准，后面的工作会轻松很多。
 
12.电路设计，关于ESD请设计成接触±8KV/空气±15KV标准。
 
理由：减少后续整改次数。
 
像飞利浦这样的客户都要求ESD非常严的，听说富士康的还需要达到±20KV，哪天有这种客户要求，你又得忙一段时间了。
 
13.电路设计，设计变压器时，VCC电压在轻载电压要大于IC的欠压关断电压值。
 
判断空载VCC电压需大于芯片关断电压的5V左右，同时确认满载时不能大于芯片过压?；ぶ?/div>
 
14.电路设计，设计共用变压器需考虑到使用最大输出电压时的VCC电压，低温时VCC有稍微NOSIE会碰触OVP动作。
 
如果你的产品9V-15V是共用一个变压器，请确认VCC电压，和功率管耐压
 
15.电路调试，Rcs与Ccs值不能过大，否则会造成VDS超过最大耐压炸机。
 
LEB前沿消隐时间设短了，比尖峰脉冲的时间还短，那就没有效果了还是会误判；如果设长了，真正的过流来了起不到?；さ淖饔谩?/div>
 
Rcs与Ccs的RC值不可超过1NS的Delay，否则输出短路时，Vds会比满载时还高，超过MOSFET最大耐压就可能造成炸机。
 
经验值1nS的Delay约等于1K对100PF，也等于100R对102PF
 
16.画小板时，在小板引脚的90度拐角处增加一个圆形钻孔。
 
理由：方便组装
 
如图：
 
 
实物如图：
 
 
实际组装如图：
 
 
这样做可以使小板与PCB大板之间紧密贴合，不会有浮高现象
 
17.电路设计，肖特基的散热片可以接到输出正极线路，这样铁封的肖特基就不用绝缘垫和绝缘粒
 
18.电路调试，15W以上功率的RCD吸收不要用1N4007，因为1N4007速度慢300uS，压降也大1.3V，老化过程中温度很高，容易失效造成炸机
 
19.电路调试，输出滤波电容的耐压致少需符合1.2倍余量，避勉量产有损坏现象。
 
之前是犯了这个很低级的错误，14.5V输出用16V耐压电容，量产有1%的电容失效不良。
 
20.电路设计，大电容或其它电容做成卧式时，底部如有跳线需放在负极电位，这样跳线可以不用穿套管。
 
这个可以节省成本。
 
21.整流桥堆、二极管或肖特基，晶元大小元件承认书或在BOM表要有描述，如67mil。
 
理由：管控供应商送货一至性，避免供应商偷工减料，影响产品效率
 
另人烦脑的就是供应商做手脚，导致一整批试产的产品过不了六级能效，原因就是肖特基内部晶元用小导致。
 
22.电路设计，Snubber 电容，因为有异音问题，优先使用Mylar电容 。
 
处理异音的方法之一
 
23.浸漆的TDK RF电感与未浸漆的鼓状差模电感，浸漆磁芯产生的噪音要小12dB
 
处理异音的方法之二
 
24.变压器生产时真空浸漆，可以使其工作在较低的磁通密度，使用环氧树脂黑胶填充三个中柱上的缝隙
 
处理异音的方法之三
 
25.电路设计，启动电阻如果使用在整流前时,要加串一颗几百K的电阻。
 
理由：电阻短路时,不会造成IC和MOSFET损坏。
 
26.电路设计，高压大电容并一颗103P瓷片电容位置。
 
理由：对幅射30-60MHz都有一定的作用。
 
空间允许的话PCB Layout留一个位置吧，方便EMI整改
 
27.在进行EMS项目测试时，需测试出产品的最大程序，直到产品损坏为止。
 
例如ESD 雷击等，一定要打到产品损坏为止，并做好相关记录，看产品余量有多少，做到心中有数
 
28.电路设计，异常测试时，短路开路某个元件如果还有输出电压则要进行LPS测试，过流点不能超过8A。
 
超过8A是不能申请LPS的
 
29.安规开壳样机，所有可选插件元件要装上供拍照用，L、N线和DC线与PCB要点白胶固定。
 
这个是经常犯的一个毛病，经常一股劲的把样品送到第三方机构，后面来来回回改来改去的
 
30.电路调试，冷机时PSR需1.15倍电流能开机，SSR需1.3倍电流能开机，避免老化后启动不良
 
PSR现在很多芯片都可以实现“零恢复”OCP电流，比如ME8327N，具有“零恢复”OCP电流功能
 
31.电路设计，请注意使用的Y电容总容量,不能超过222P, 因为有漏电流的影响
 
针对不同安规，漏电流要求也不一样，在设计时需特别留意
 
32.反激拓补结构，变压器B值需小于3500高斯，如果变压器饱和一切动作将会失控，如下，上图为正常，下图为饱和。
 
 
 
变压器的磁饱和一定要确认，重重之重，这是首条安全性能保障，包括过流点的磁饱和、开机瞬间的磁饱和、输出短路的磁饱和、高温下的磁饱和、高低压的磁饱和。
 
33.结构设计，散热片使用螺丝固定参考以下表格设计，实际应用中应增加0.5-1mm余量，参考如下表格：
 
 
BOM表上写的螺丝规格一定要对，不然量产时会让你难受
 
34.结构设计，AC PIN焊线材的需使用勾焊，如果不是则要点白胶固定。
 
理由：安规要求
 
经常被第三方机构退回样品，整改
 
35.传导整改，分段处理经验，如下图，这只是处理的一种方法，有些情况并不是能直接套用
 
 
36.辐射整改，分段处理经验，如下图，适合一些新手工程师，提供一个参考的方向，有些情况并不是能直接套用，最主要的还是要搞清楚EMI产生的机理。
 
 
37.关于PCB碰到的问题，如图，为什么99SE画板覆铜填充的时候填不满这个位置？像是有死铜一样
 
 
 
D1这个元件有个文字描述的属性放在了顶层铜箔，如图
 
 
 
把它放到顶层丝印后，完美解决。
 
 
 
38.变压器铜箔屏蔽主要针对传导，线屏蔽主要针对辐射，当传导非常好的时候，有可能你的辐射会差，这个时候把变压器的铜箔屏蔽改成线屏蔽，尽量压低30M下降的位置，这样整改辐射会快很多。
 
EMI整改技巧之一
 
39.测试辐射的时候，多带点不同品牌的MOS、肖特基。有的时候只差2、3dB的时候换一个不同品牌会有惊喜。
 
EMI整改技巧之二
 
40.VCC上的整流二极管，这个对辐射影响也是很大的。
 
一个惨痛案例，一款过了EMI的产品，余量都有4dB以上，量产很多次了，其中有一次量产抽检EMI发现辐射超1dB左右，不良率有50%，经过层层排查、一个个元件对换。最终发现是VCC上的整流二极管引发的问题，更换之前的管子（留低样品），余量有4dB。对不良管子分析，发现管子内部供应商做了镜像处理。
 
41.一个冷知识，如何测量PCB的铜箔厚度？
 
方法：在PCB板上找一条光滑且长的线条，测量其长度L，再测宽度W，再用DC源加1A电流在其两端测得压降U
 
依据电阻率公式得出以下公式：
 
 
例：取一段PCB铜箔，长度L为40mm，宽度为10mm，其通过1A电流两端压降为0.005V，求该段铜箔厚度为多少um？
 
 
42.一款36W适配器的EMI整改案例，输出12V/3A，多图对比，整改花费时间3周。
 
变压器绕法一：Np1→VCC→Ns1→Ns2→铜屏蔽0.9Ts→Np2
PCB关键布局：Y电容地→大电容地，变压器地→Vcc电容→大电容地
注：变压器所有出线没有交叉
 
图一（115Vac）
 
图一所示可以看到，130-200M处情况并不乐观；
 
130-200M主要原因在于PCB布局问题和二次侧的肖特基回路，改其它地方作用不大，肖特基套磁珠可以完全压下来，图忘记保存了。
 
为了节约成本，公司并不让我这样做，因为套磁珠影响了成本，当即NG掉此PCB布局，采用图一a方式PCB关键布局走线。
 
变压器绕法不变：Np1→VCC→Ns1→Ns2→铜屏蔽0.9Ts→Np2
PCB关键布局：Y电容地→变压器地→大电容地
注：变压器内部的初级出线及次级出线有交叉
 
图一a （115Vac）
 
图一a可以看出，改变PCB布局后130M-200M已经完全被衰减，但是30-130M没有图一效果好，可能变压器出线无交叉好一些。仔细观察，此IC具有抖频功能，传导部分频段削掉了一些尖峰；
 
图一b（230Vac）
 
图一b可以看到，输入电压在230Vac测试时，65M和83M位置有点顶线（红色线）
 
图一b-1（230Vac）
 
原边吸收电容由471P加大到102P，65M位置压下来一点，后面还是有点高，如图一b-1所示；
 
图一b-2（230Vac）
 
变压器屏蔽改成线屏蔽（0.2*1*30Ts）,后面完全衰减，如图一b-2；
 
图一b-3（115Vac）
 
115Vac输入测试，后面150M又超了，发克！高压好了低压又不行，恼火?。】蠢凑庹胁恍?；
 
图一b-4（115Vac）
 
变压器屏蔽还是换成铜箔屏蔽（圈数由0.9Ts改成1.3Ts），效果不错，如图一b-4所示。
 
图一b-5（230Vac）
 
115Vac输入测试，测试通过。
 
结论：
一：变压器出线需做到不交叉；
二：Y电容回路走线越短越好先经过变压器地再回到大电容地，不与其它信号线交叉；
 
43.一款48W（36V/1.33A）整改EMI案例，仅仅是调整了肖特基吸收就把30-40M压下来。
 
115Vac低压30M红色顶线
 
230Vac高压30M红色也顶线
 
调整肖特基吸收后：
 
115Vac低压，走势图非常漂亮
 
230Vac高压，走势图非常漂亮
 
44.安规距离一览表。
 
 
45.刚入门使用CAD、PADS上容易遇到的问题。
 
a..PADS画好的PCB导出为DXF文件，CAD打开后是由双线组成的空心线段，如图：
 
 
刚开始不会时，是用L命令一根一根的描，狂汗  。。
使用多次后，解决方法是使用X命令就可以变成单根线
 
b..CAD图档线框转PADS做PCB外框图方法：
step1．在CAD里面刪掉沒有的线，只剩下板框，其它线也可以不删。
step2．在键盘上敲PE，回车，鼠标点中其中一边，再敲Y，回车，再敲J，回车，拖动鼠标把整个板框选中，回车，按Esc键退出此模式。
step3．比例调整，SC 按空格，选取整个板框，按空格，任意地方单击鼠标一下, 比例: 39.37 ，按空格。
 
46.在画PCB定义变压器脚位时，要考虑到变压器的进线和出线是否会交叉，因为各绕组之间的绕线在边界处存在有45-90度的交叉，需在交叉出线处加一个套管到pin脚。
 
 
47.PCB的热点区域一定要远离输入、输出端子，防止噪声源串到线上导致EMI变差，在不得已而为之时，可增加地线或其它屏蔽方式进行隔离，如下图增加了一条地线进行有效隔离。
 
 
需注意这条地线的安全距离。
 
48.驱动电阻尽量靠近MOS、电流采样的电阻尽量靠近芯片，避免产生其它看不到的后果。
 
PCB布局铁律
 
49.分享一个辐射整改案例，一个长条形散热片有2个脚，2只脚都接地，辐射硬是整不过，后来把其中一只脚悬空，辐射频段变好。后面分析原因是2只脚接地会产生磁场回路。
 
这个整改花了很多钱
 
50.配有风扇的电源，PCB布局要考虑风路。
 
一定要让风跑出去
 
51.棒型电感两条腿之间，切记，切记，切记，禁止走弱信号走线，否则发生的意外你都找不到原因。
 
切记，以前在这上面吃了大亏
 
52.变压器磁芯形状选用小结
 
a..EE，EI，EF，EEL类，常用来制作中小功率的变压器，成本低，工艺简单
 
b..EFD，EPC类，常用来制作对高度有限制的产品，适合做中小功率类
 
c..EER，ERL，ETD类，常用来制作大中型功率的变压器，特别适合用来制作多路输出的大功率主变压器，且变压器漏感较小，比较容易符合安规
 
d..PQ，EQ，LP类，该磁芯的中间柱较一般的磁芯要大，产品漏感较小，适合做小体积大功率的变压器，输出组数不能过多
 
e..RM，POT类，常用来制作通讯类或中小功率高频变压器，本身的磁屏蔽很好，容易满足EMC特性
 
f..EDR类，一般常用于LED驱动，产品厚度要求薄，变压器制做工艺复杂
 
53.某些元器件或导线之间可能有较高电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。
 
如反激一次侧的高压MOS的D、S之间距离，依据公式500V对应0.85mm，DS电压在700V以下是0.9mm，考虑到污染和潮湿，一般取1.2mm
 
54.如果TO220封装的MOS的D脚串了磁珠，需要考虑T脚增加安全距离。
 
之前碰到过炸机现象，增加安全距离后解决了，因为磁珠容易沾上残留物
 
55.发一个验证VCC的土方法，把产品放低温环境（冰箱）几分钟，测试VCC波形电压有没有触发到芯片欠压?；さ?。
 
小公司设备没那么全，有兴趣的可以做个对比，看看VCC差异有多大
关于VCC圈数的设计需要考虑很多因素
 
56.在变压器底部PCB加通风孔，有利于散热，小板也一样，要考虑风路。
 
在安规认证，变压器温度超了2度左右时，可以用这个方法
 
57.跳线旁边有高压元件时，应要保持安全距离，特别是容易活动或歪斜的元件。
 
保证产品量产时的稳定性
 
58.输出大电解底部不得已要走跳线时，跳线应是低压或是地线，为防止过波峰焊烫伤电容，一般加套管。
 
设计的时候尽量避免电容底部走跳线，因为增加成本和隐患
 
59.高频开关管平贴PCB时，PCB另一面不要放芯片等敏感器件。
 
理由：开关管工作时容易干扰到背部的芯片，造成系统不稳定，其它高频器件同理
 
60.输出的DC线在PCB设计时，要设计成长短一至，焊盘孔间隔要小。
 
理由：SR的尾部留长是一样长的，当两个焊盘孔间隔太远时，会造成不方便生产焊接
 
61.MOS管、变压器远离AC端，改善EMI传导。
 
理由：高频信号会通过AC端耦合出去，从而噪声源被EMI设备检测到引起EMI问题
 
62.驱动电阻应靠近MOS管。
 
理由：增加抗干扰能力，提升系统稳定性
 
63.一个恒压恒流带转灯的PCB设计走线方法和一个失败案例。
 
PCB设计走线方法请看图：
 
 
(a) 地线的Layout原则
 
如(1)(2)(3)绿线所示，R11的地和R14的地连接到芯片的地，再连接到EC4电解电容的地。注意不可连到变压器的地，因为变压器次级A->D3->EC4->次级B形成功率环，如果ME4312芯片的地接到次级B线到EC4电容之间，受到较强的di/dt干扰会导致系统的不稳定等因素。
 
失败案例：
 
 
造成的问题：转灯时红灯绿灯一起亮，并且红灯绿交替闪烁。
 
整改措施：
 
通过断开PCB铜箔使用一根导线连到输出电容地，隔开ME4312B芯片地，如下图：
 
 
通过以上处理，灯闪问题已经解决，测试结果如下：
CV15V 1.043A
CV14V 1.043A
CV13V 1.043A
CV12V 1.043A
CV11V 1.043A
CV10V 1.043A
CV9V  1.043A
CV8.5V 1.043A
CV8V  VCC欠压?；?/div>
0-94mA转绿灯  96mA以上转红灯
转灯比例 94/1043=9%，转灯比例可以控制在3-12%
 
64.一个最近贴片电容涨价的应对小技巧，贴片电容都预留一个插件位置，或104都改为224P，这样相对便宜很多。
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