微机保护测控供电装置PCB 板设计技巧

2014-08-15王程有

郑州铁路职业技术学院学报 2014年3期

王程有，董芳

(1.郑州铁路职业技术学院，河南郑州 450052;2.郑州铁路局郑州供电段，河南郑州 450052)

“微机保护测控供电装置研制”是根据国家骨干高职院校骨干专业“电气化铁道技术”核心课程继电保护实验实训基地建设需要，由学院立项的科研课题。它是专为微机保护测控屏而研制的供电装置。该测控屏要求该供电装置:一要具备直流110V/5A固定输出，二要噪声低;三要可靠性高;四要抗干扰强。微机保护测控供电装置印刷电路板(简称PCB板)的设计，是本课题整体设计中的重要环节，要求电磁兼容要设计得当，避免产生过多的电磁干扰，从而使开关电源稳定工作;更要做好热设计，降低器件的故障率，提高设备的可靠性。纵观PCB 板的设计、制作、实验过程，经验颇多，本文把自己设计PCB 板的技巧作一个总结，以供借鉴。

1 精心布局布线，减少电磁干扰

1.1 布局

由于变压器尺寸较大，又是发热元件，故要首先考虑变压器放置;其次对整流器输出电流回路及交流电源电路的控制电路进行设计;最后设计输入电流源回路、输入滤波器及输出负载回路、输出滤波器。布局元器件时，主要考虑印制板尺寸，方便焊接，电路的单元功能，高频干扰等因素。

(1)印制板大小要适中。如果印制板尺寸过大，印制线必然要增长，这将使阻抗增加，造成噪声增大;如果印制板尺寸过小，元件拥挤，临近线条容易互相干扰。电路板一般设计成矩形，长与宽的最佳比例一般为3∶2 或4∶3。关于电路板边缘，元器件离电路板边缘一般不小于2mm。

(2)器件不要太密集，要考虑焊接方便。

(3)元件要先布置核心元件，再以此为中心进行布局。元件间隔要均匀，排列要整齐，分布要紧凑，各元件之间的引线和连接要尽量缩短，特别要引起注意的是滤波电容的放置，一般要尽量靠近VCC。

(4)布局高频工作电路元器件时，一般要平行排列元器件，这样可以减少器件间的分布参数。

(5)各个功能电路单元位置布局时，要考虑信号流通方便，要尽可能使信号方向一致。

(6)自动布线飞线之后，手工移动器件时要把有连线关系的器件放在一起，这样可以提高布线的布通率。

(7)要降低开关电源辐射，必须在减小环路面积上下功夫。

1.2 布线

(1)在满足电路性能、整机安装及面板布局要求的同时，考虑到生产过程中需要利用焊接面进行各种参数的检测，布线方向应与电路图走线方向大体一致，这样从焊接面看元件的排列方位与原理图保持大体一致。

(2)设计布线图时，走线尽量减少拐弯，印刷弧上的线条宽度不要突变，导线拐弯角度应大于或等于90 度，线条尽量简单明了。

(3)“交叉”不允许在印刷电路中出现，如果实在无法避免，要用“钻孔”、“迂回”等方法解决。例如让某条引线从其它电阻(电容、三极管)脚下的空隙处“钻”到另一面，或从可能交叉的某条引线的一端“迂回”过去，如果电路较为复杂，在特殊情况下为简化设计可以用导线跨接解决交叉问题。若采用单面板，直插元件位于顶层面，表贴器件位于底层面，这种情况下表贴器件可与直插器件交叠，但要注意避免焊盘重叠现象。

1.3 布线长度和宽度

(1)高频信号在开关电源中大量存在，印制电路板上任何印制线都相当于天线，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗的大小，从而影响频率响应。即使是直流信号的印制线也会辐射出干扰信号，因为它会被邻近的印制线耦合到射频信号。故应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短些，尽可能宽些，要将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得尽量近些。

(2)印制线电感量和阻抗与其长度成正比，而与其宽度成反比。印制线响应的波长受印制线长度制约，印制线长度越长，它所发送(接收)电磁波的频率越低，辐射出的射频能量越大。所以要依据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线的宽度，减少其环路电阻，同时使电源线、地线的走向和电流的方向一致，这样可以使抗噪声能力有所增强。

1.4 接地线设计

接地是开关电源中四个电流回路的底层支路，是电路的公共参考点，在控制干扰方面起着很重要的作用，在布局中应认真考虑放置接地线。注意不要将各种接地混合，这样会造成电源工作不稳定。

(1)要正确选择单点接地。在开关电源中，印刷线路布线和器件间的电感影响并不大，影响较大的是接地电路形成的环流。因而要采用单点接地，即将电流回路中的几个器件的地线都连到接地脚上，同样地，输出整流器电流回路的几个器件的地线也要接到相应的滤波电容的接地脚上。实在做不到单点接地时，可将两个二极管或一个小电阻接到共地处，或接在比较集中的一块铜箔处，这样电源工作稳定，不容易产生自激。

(2)要尽量加粗接地线

若用很细的接地线，电流变化会引起接地电位变化，致使设备的定时信号电平不稳定，噪声高，性能变坏。因此，要用尽量短而宽的印制线使每一个大电流接地，而且要尽量使电源线和接地线加宽，接地线要比电源线更宽，它们的宽度关系是:地线＞电源线＞信号线，如果有可能，接地线的宽度可＞3mm，或者用大面积铜层作地线用，甚至相连接的地线可以把没被用上的印制板全用上。

2 完善热设计，降低器件故障率

2.1 采用较好的布线结构形式

印刷电路板一般要选用导热系数较小的绝缘材料。空气对流和辐射是主要散热途径。加大覆铜面积能够加大热量散发，必要的话要采取外加的散热装置。目前，金属夹心印刷板、导热条印刷板和导热板印刷板已被研制出来并推广使用。总之，一些新型材料和结构的出现为解决印刷线路板的散热问题提供了可能。

2.2 元件布置有讲究

在印刷线路板上装配的元件有发热量大的，也有发热量小的。要减小热阻，就必须根据元器件发热量大小进行合理布局。

同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，诸如规模集成电路、功率晶体管这些发热量大或耐热性好的器件，易放在冷却气流最下游;诸如电解电容、小规模集成电路、小信号晶体管等发热量小或耐热性差的器件，易放在冷却气流的最上流入口处。

印制板直立安装比较利于散热，板与板之间的距离一般不应小于2cm，器件在印制板上的排列要遵循一定的规则，尽可能将耗能元器件位置分散。若设备采用自由对流空气冷却，尽可能加大元器件的热流通道，集成电路(或其他器件)按纵长方式排列有利于散热;若设备采用强制空气冷却，最好是将集成电路(或其它器件)按横长方式排列。

在水平方向上，为缩短传热路径，大功率器件尽量布置在靠近印制板边沿;在垂直方向上，为减少器件工作时对其他器件温度的影响，大功率器件尽量靠近印制板上方布置;温度比较敏感的器件(如设备的底部)安置在温度最低的区域，千万不要将它安放在发热元器件的上方。

总之，器件排列方式合理，印制电路的温升可以有效地降低。