单片开关电源PCB版图的设计

单片开关电源PCB版图的设计
1 印制线路板的一般设计步骤
（1） 绘制原理图；
（2） 元件库的创建；
（3） 建立原理图与印制板上元件的网络连接关系；
（4） 布线和布局；
（5） 创建印制板生产使用数据和贴装生产使用数据。
2印制线路板的分类
印制线路板根据其层数的多少，可以分为：单面板、双面板和多层板。
2.1 单层板
对于一块电路板来说，已经有两个面的存在，而单面板则是指所有的原件、走线和文字等对象，都在一个面上进行放置，而另一个面上则什么都没有。一般Protel 99SE默认的单层板的放置层为Toplayer。
2.2 双层板
双层板是在电路板的两个面上都进行布线工作，其一是作为顶层的Top Layer，其二就是作为底层的Bottom Layer。至于上下层间的电气连接主要是通过过孔来完成。当然一般式在顶层上放置元件，在底层上进行元件引脚的焊接。当然，也可以在两个工作层上都放置元器件。（学习电源知识请关注微信公众号：电源研发精英圈）
2.3 多层板
多层板包含两个以上的工作层面，除了电路板本身的两面之外，在电路板的中间，还设置有多个中间层进行布线。
3印制线路板工作层的分类
在Protel 99SE中，主要使用的有以下一些工作层：
（1） 信号层：Protel 99SE中提供了一共16个信号层，包括Top Layer（顶层）、Bottom Layer（底层）、Mid Layer1（中间层1）~Mid Layer14（中间层14）。该层主要是用来放置元件（顶层和底层）和走线；
（2） Multi Layer（多层）：该层代表所有的信号层，在他上面放置的原件会自动的放到所有的信号层上，所以可以通过Multi Layer，将焊盘或过孔快速的放置到所有的信号层上；
（3） 丝印层：丝印层包括Top Over Layer和Bottom Over Layer两层，该两层主要是用于绘制元件的外形轮廓、放置元件的编号或其他相关的文本信息；
（4） Keep Out Layer（禁止布线层）：该层通常是用于定义元件放置的区域的，一般在该层上放置线段（Track）或弧线（Arc）来构成一个闭合的区域，只有在这个闭合区域内才能进行元件的自动布局和自动布线。
4 单片开关电源元器件封装的选择
4.1 电容封装的选取
本论文选取的单片开关电源电路图中有4种不同种类的容值，根据容值的不同，则电容的外形直径也会不同，则选取的PCB封装也就不尽相同了。
（1）直插式：根据其元件尺寸的不同，常选用的封装为RB.2/.4、RB.3/.6、RB.4/.8、RB.5/1.0，其中RB后面的两个数值前者指的是电容两脚间的距离，后者指的是该电容的外形直径。就如RB.2/.4，其中.2表示该元件封装两个引脚间的距离为200mil，.4表示的是该电容的外形直径为400mil。
同时，这里牵涉到了公英制的转换问题，通常10mil=0.245mm，而在Protel 99SE中常用的单位是mil，也就是英制。但是，当我们需要根据尺寸绘制元件的时候，需要的度量单位就是公制，这是就可以通过Protel 99SE中【View/Toggle Units】来进行公英制的转换。
这里根据容值的不同，查阅资料后确定C1=C2=CF=0.1uF，选择的分装时RB.2/.4；CT=47uF，选择的封装为RB.3/.6；CIN=130uF，选择的封装为RB.3/.6；COUT=1000uF，选择的封装为RB.5/1.0。
（2）贴片式：根据其元件尺寸的不同，常选用的封装为RAD0.1~RAD0.4，其中RAD0.1中的0.1和RAD0.4中的0.4所表示的含义均是两个焊盘之间的距离，前者为100mil，后者为400mil。（学习电源知识请关注微信公众号：电源研发精英圈）
这里根据容值的不同，查阅资料后确定C1=C2=CF=0.1uF，选择的分装时RAD0.1；CT=47uF，选择的封装为RAD0.2；CIN=130uF，选择的封装为RAD0.2；COUT=1000uF，选择的封装为RAD0.4。
4.2 二极管
（1）直插式：根据二极管型号以及功率大小的不同，其封装形式有DIODE-0.4（小功率）和DIODE-0.7（大功率）。同样，这里的0.4和0.7表示的是只二极管的长短，分别为400mil和700mil。
根据电路功率等的要求，这里选择VD1的封装为DIODE-0.7。随后经过查阅元器件手册及收索相关资料，确定VDZ1、VDZ2、VD2和VD3的封装也均为DIODE-0.7。
（2）贴片式：在Protel 99SE中贴片二极管的封装可以套用贴片电容的封装形式。由于在选择直插式的过程中，5个二极管的封装均为DIODE-0.7，所以在贴片的选择中，也将5个二极管的封装均选择为RAD0.4
4.3 电阻
（1）直插式：电阻在电路图绘制的过程中出现的频率非常的高，但是本论文的单片开关电源电路中只有一个电阻。但是对于电阻的选型还是不能掉以轻心。常见的直插式电阻的封装有AXIAL0.3-AXIAL1.0。对于电路板而言，电阻的选取与其电阻值根本不相关，完全是按该电阻的功率数来决定的，1/4W和1/2W的电阻，都可以用AXIAL0.3元件封装，而功率数大一点的话，可用AXIAL0.4或AXIAL0.5等等。
由于是高速电路，所以对于R1选择封装为AXIAL-0.5。
（2）贴片式：在Protel 99SE中常用的贴片电阻的封装有0402、0603、0805、1206等七种，对于不同功率下的贴片电阻，其选择就各不相同。这里由于前面我们对于R1的直插式封装选择的是AXIAL-0.5，所以相应的，他的贴片式封装选择的也应该符合相应的功率要求，这里选择的是0805。
这里所谓的0603、0805等这些数值表示的都是元器件的外形尺寸，具体对应关系如表1所示。

4.4 其他元器件
由于如图1-3的电路图中有些元件的封装在Protel 99SE的PCB封装库里面找不到，这时候就需要通过查阅相关的数据、资料，确定元器件的外形尺寸，然后在PCB元件库中新建一些元器件。
5 自制单片开关电源的元器件封装
如4.4小节所言，在绘制本论文的开关电源的PCB版图的时候，有些许的PCB元器件的封装需要自制，这里就绘制图1-3中的整流桥。
双击新建的PCB文件后，点击左边【Browse PCB/Components】下的“Edit”按钮，进入PCB元件库绘制区域。通过【Tools/New Components】新建一个元器件，并对其进行命名。接着就在右边的绘制区绘制整流桥的封装。
根据查阅的信息可以整流桥的4个引脚间的尺寸均为10mm，这样对于绘制就显得异常的方便。
（1）点击“Place Pad”按钮，如右图所示。将Pad放置于（0,0），随后依次在（0,10）、（-10,0）和（-10,-10）。
（2）根据查阅到的整流桥的外形和符号标示，对其进行外形的绘制，这里需要注意的是，由于绘制外形，所以不应在导线布置层，即不应在“Top Layer”、“Bottom Layer”上绘制外形线，而应该在“Top Overlay”上绘制元器件封装的外形。绘制后如图1所示。

（3）根据整流桥的性能，对其四个引脚进行标示处理，通过【Place/String】，然后点击“Tab”键，弹出如图2所示的【String】对话框。

（4）在“Text”旁的框中输入引脚的标示——“+”，然后将“Layer”旁的下拉列表选择为“Top Overlay”，点击OK，随后将鼠标指针带领的“+”放置在1号引脚旁。如图3所示。

（5）用同样的方法，对2、3、4号引脚分别进行标示，其绘制后的效果如图4所示。
（6）引脚焊盘的处理：由于桥式整流的输出电流较大，所以焊盘的直径要加大至7.5mm左右，相当于300mil，最终效果如图5所示。


（7）然后点击左边【Browse PCBLIB】下的“UpdatePCB”按钮，并保存，这样绘制的整流桥的封装就会出现在PCB的元件库内。
用相同的方法对变压器进行绘制，最终通过整理可以得到图1-3单片开关电源的元器件封装列表。如表2所示。

6 单片开关电源PCB版图的布局设计
Protel 99SE在PCB布线中提供了两种布线的方式：手动布局和自动布局。
6.1 自动布局
自动布局是通过SCH图的电气连接借助网络表这一媒介，将电路图转化为PCB版图的一个方法。（学习电源知识请关注微信公众号：电源研发精英圈）
（1）网络表的建立
建立网络表前有个准备工作要做，就是对每个元器件要进行其封装的设置，双击图1-2中的整流桥，会出现【Part】对话框，在【Attributes】选项卡中的“Footprint”旁输入该整流桥的封装，在本论文的单片开关电源中，由于整流桥是自己绘制的，根据自己对元器件封装的命名，此处应为“BRIDGE”（如图6所示），输入后点击OK即可。

用同样的方式，根据表2中各个元器件直插式的封装号，对SCH图中各个元件进行参数的修改。
随后通过【Design/Creat Netlist…】创建图1-2单片开关电源SCH图的网络表。
（2）将SCH转化为PCB
在通过网络表将SCH转化为PCB之前，先要在PCB中划定需要制作的PCB板的范围，即确定一个外框。其框的大小应该根据设计的SCH图进行设置和设定。同时这个外框的应该是在“KeepOut Layer”上绘制。
确定了PCB板的外形范围之后，通过【Design/Netlist…】会出现【Netlist】对话框，在点击“Browse”后选择刚刚由开关电源SCH图生成的网络表，在【Netlist】对话框下方的“No.”、“Action”和“Error”会出现在由SCH图创建的网络表（如图7所示）中的相关内容，包括元器件、电气连接、节点等。在这里需要注意的是，要将“Error”修改为零。根据不同的情况，“Error”下的表示会不同，但不管如何，最终都应该将“Error”修改为0。随后点击下方的“Execute”按钮，这时就会发现在本来已确定好的PCB版图范围的有房出现了相应的元器件。它们之间还有根据SCH导线连接的电气连接线，如图8所示。


（3）自动布局
通过网络表生成的PCB元件也竟全部排列整齐了，下面只需要通过【Tools/AutoPlace…】对弹出的【Auto Place】对话框进行设置就可以了，在弹出的【Auto Place】对话框中有两个选项，这需要根据不同电路板的要求来进行选择，而依照本论文的单片开关电源电路图的属性以及元器件的复杂程度、密集程度等，选择“Cluster Placer”这个选项，然后点击OK。这时Protel 99SE就会将刚出现的那些元器件开始布局，布局的位置是在一开始定义的PCB版图的外框内。
本单片开关电源电路图自动布局后如图9所示。

自动布局之后，还需要对其进行布线，同样布线也有两种方式：自动布线和手动布线。（学习电源知识请关注微信公众号：电源研发精英圈）
（4）自动布线
图8中有需要细线，这些线就是根据SCH图连接所产生的预布线，如果采用自动布线，则只需要通过【Auto Route/All】，然后对弹出的【Autorouter Setup】对话框进行设置即可，一般性都是用Protel 99SE所提供的默认设置，即如图10所示。

随后点击下方的“Route All”按钮，Protel 99SE就会对其进行自动布线。
（5）手动布线
Protel 99SE对元器件进行好自动布局之后，我们可以手动根据预布线的连接进行布线，就如图11对VDZ2的2号脚和整流桥的2号脚进行手动布线。

预布线已经清晰的说明了哪两个引脚之间需要进行导线的连接，随后通过【Place/Track】进行导线的绘制，这时候需要注意的是选中的层应该为“Top Layer”或“Bottom Layer”，先点击VDZ2的2号脚，然后通过自己的布线，最终结束于整流管的2号脚。在连接的过程中，会发现在导线经过的过程中，原来的预布线会逐渐消失，直至到把两个引脚连接起来为止。
用相同的方法就能对整个元器件布局进行手动布线的处理。
6.2 手动布局
手动布局就不需要通过SCH导出网络表，而是直接通过在PCB中放置元器件的封装来进行的。根据图1-3的布局和连接，手动放置元器件的封装，并用导线对其进行引脚间的连接，绘制出双面直插式开关电源PCB版图，如图12所示。
6.3PCB的优化
布线后，会发现有很多不合理之处，还需加以优化。
（1）走线
根据绘制高速电路PCB版图的要求，所有的导线应该越短越好，尽可能的精简，但是如图13为图12中截取的一小块PCB版图走线，其导线走线过于的复杂繁琐，更造成了导线与导线之间不必要的电磁辐射干扰。这里就能把走线从原来的两根还成T字型走线，如图14所示。


（2）元器件附近的走线
根据要求，一般在整流桥的四个孔周围2.54mm不能有线条，而在图15所示的电路中，在整流桥3号引脚的走线中，产生了对4号引脚的辐射干扰问题；同样2号引脚的走线也对3号引脚产生了干扰问题。所以这些都是不正确的走线。应该为如图16所示的走线方式。


所以，在这修改之后的双面直插式PCB版图如图17所示。
（3）布线宽度与线路电流的关系
对于变压器来说，一次侧电流和二次侧电流是不同的，本开关电源电路的一次测电流是1A，二次侧电流是5A，所以其线宽也应该是不一样的，需要载流的值越大，走线的宽度也因该越大，而对于流过光耦的电流值较小，所以就不需要很粗的导线。对图17进行修改后，才能符合本单片开关电源的要求，如图18所示。
6.4 双面贴片式PCB版图的绘制
根据表1中元器件的贴片封装的选择，可以绘制出如图19所示的

6.5 四面贴片式PCB版图的绘制
前面有介绍多层板，而本论文中的单片开关电源可以使用四层板，即Top layer层、Bottom layer层外，另一层为电源层、还有一层即是接地层。其绘制后如图20和图21所示，图20是设置了整层Vcc显示后的电路图，图21是设置了整层GND显示后的电路图。