PCB Layout 研讨报告 Red CAO April 29, 2008.

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1 PCB Layout 研讨报告 Red CAO April 29, 2008

2 目录 1、 PCB Layout的重要性分析 2、 HID电路拓扑的介绍和主要电流回路的划分； 3、 PCB Layout的核心概念：电流回路 4、生产线上出现的一些同PCB Layout相关的问题 5、 PCB layout优化的一般过程 6、总结

3 产品质量和可靠性的主要影响因素 新产品 老产品 1、 原理图设计：完善和欠缺 （40％） a、主拓扑选择； b、控制逻辑的规划 c、参数调整 2、 元器件：可靠和不可靠 （20％） 3、 PCB Layout：合理和不合理 （20％） 4、生产工艺：先进和落后 （20％） 10％ 40％ 5％ 45％

4 PCB layout 和电路性能 1、EMI的好坏：传导和辐射； 2、derating rules是否达标； 3、热管理的好坏和产品温升的高低（产品寿命）； 4、控制精度和抗干扰性； 5、产品的可靠性；

5 HID电路拓扑的介绍

6 PCB Layout：高频大电流回路、高频大电压支路
大电流回路和高电压支路的类别： 1、高频大电流回路；电流密度＋趋肤效应＋Ldi/dt干扰源 2、低频大电流回路；电流密度 3、高频大高压支路：爬电距离和Cdv/dt干扰源 4、低频大高压支路：爬电距离 功率电路布线的基本原则： 1、抑制干扰源：提高电路可靠性，改善电磁兼容性： 2、高频大电流回路面积最小化：减小差模辐射噪声和干扰 3、高频高压支路铜箔面积最小化：减小共模辐射噪声和干扰

7 PCB Layout：高频成分的分类 高频电流电压频率分量的归类： 1、对应于MOS管工作频率（100kHz左右或以下）及其高次谐波分量
2、对应于线路寄生振荡频率：一般大于20MHz；

8 PCB Layout：高频大电流回路 主要影响：在线路中，引起电阻性干扰和di/dt电感性差模干扰和可靠性方面的问题 布线基本原则：各级功率电路之间的解耦和各级功率电路电流回路面积最小化； 目的：保证各级功率电路之间相对的独立性、保证干扰源最小； 实现解耦的方法：电容走线的先后顺序，目的也是减小电流回路面积。 面积最小化的方法：采用狭长形的电流环路，８字形走线，双面走线重叠；

9 PCB Layout： BOOST变换器中的高频大电流回路
两类重要的频率成分： 1、工作主频（100kHz）及其谐波分量； 2、20M以上的寄生振荡噪声。 BOOST-PFC变换器中的高频大电流回路对应于下面3种情形： 1、MOS管处于Ton期间主功率电流回路； 2、MOS管处于Toff期间主功率电流回路； 3、MOS管关断瞬间寄生振荡电流回路；

10 PCB Layout：BOOST变换器Ton期间高频大电流回路

11 PCB Layout：BOOST变换器Toff期间高频大电流回路
红色回路：寄生振荡 蓝色回路：主功率 MOS管在Toff期间的主功率电流回路和寄生振荡电流回路

12 PCB Layout： BOOST－PFC变换器布线要点
PFC回路内部：通过PFC工作原理的分析，检测电阻的接地端也根本无需靠近电解电容，而只需靠近BOOST输入端高频电容的地段，因为BOOST工作时的高频电流回路是这样的：入端高频电容－BOOST电感－MOS管－检测电阻－高频电容，如果高频电容的地段和检测电阻的地端非常近，则可以有效减小电流环路面积（尤其是高频电流的环路面积）；另外，在MOS管关闭，二极管续流时，高频电流回路是这样的：入端高频电容－BOOST电感－DIODE－电解电容的正极＋DCBUS高频滤波电容－电解电容的负极（地）＋DCBUS高频滤波电容的地端－入端高频电容的地端。所以，从这个回路来说，入端高频电容的地端和电解电容的负极（地）＋DCBUS高频滤波电容的地端也应该尽量靠近，如果作不到这一点，则DCBUS高频滤波电容的地端一定要靠近入端高频电容的地端。另外，最关键是要分析高频功率环路的组成（电路工作原理），是要保证‘高频功率环路面积应该尽量最小化’（低频环路面积大小不是太重要的），所以在BOOST-PFC电路中，入端高频电容，BOOST电感，MOS，检测电阻，diode，DCBUS高频滤波电容一定要尽量靠近，并且上面所说的两个环路的面积一定要小。并且，高频滤波电容的电容量一定要足够大，否则，上面的两个高频环路就会向外边扩展，譬如，将镇流器之前的EMI滤波器和DCBUS电解电容都包括到两个高频环路中来。

13 PCB Layout： HBCF变换器中的高频大电流回路
两类重要的频率成分： 1、工作主频（100kHz）及其谐波分量； 2、20M以上的寄生振荡噪声。 HBCF变换器中的高频大电流回路对应于下面6种情形： 1、Q1处于Ton期间主功率电流回路；2、 Q1处于Toff期间主功率电流回路； 3、Q2处于Ton期间主功率电流回路；4、 Q2处于Toff期间主功率电流回路； 5、Q1处于Toff期间寄生振荡电流回路； 6、Q1处于Toff期间寄生振荡电流回路；

14 PCB Layout： HBCF变换器Ton期间高频大电流回路
此处对应于Q2在Ton期间，主功率电流回路情形。

15 PCB Layout： HBCF变换器Toff期间高频大电流回路
此处对应于Q2在Toff期间，主功率电流回路情形。

16 PCB Layout： HBCF变换器关断瞬间（Toff早期）高频大电流回路
Q2在关断瞬间，20M以上的寄生振荡电流回路。 （分C3存在和不存在两种情形）

17 PCB Layout：高频大电压支路 主要影响：在线路中，主要引起dv/dt电容性共模干扰和可靠性方面的问题 两类重要的高频高压频率分量的归类成分： 1、工作主频（100kHz以下）及其高次谐波； 2、20M以上的寄生振荡噪声。 布线基本原则：在电流密度许可的前提下，尽量减小高频高压支路铜箔面积，敏感信号线尽量不要和高频高压支路平行走线，减小耦合电容和位移电流，以便抑制共模干扰。

18 PCB Layout：高频大电压支路的辨识
高频大电压支路的识别：MOS管的漏极（兼顾散热片和housing）或者源极 如下面两图中红色和绿色着重标示的部分就是高频大电压支路。 如下面两图中黄色着重标示的部分就是低频大电压支路。 如下面两图中蓝色着重标示的部分就是直流大电压支路

19 PCB Layout：芯片管脚类型识别 芯片管脚可以分为６类： １、VCC; ２、GND；
３、输出管脚：主要功能是输出控制信号到外部其它电路； ４、输入管脚：主要功能是接收从外部其它电路来的反馈信号； ５、输入输出双态管脚：典型的例子是MOS管的驱动管脚； ６、芯片内部电路的外部设置（补偿）管脚：非输入输出管脚。

20 PCB Layout：芯片输出管脚所对应的电流回路
１、该电流环路尽量小， 从而受到的辐射干扰最小。 ２、该环路和功率回路尽量单点连接，从而受到的传导干扰最小。 　　芯片输出管脚电流回路的一般形式：高频解耦电容的电压端－芯片VCC管脚－ 芯片内部逻辑－芯片输出管脚－受驱动（受控制）电路的信号接收端－PCB公共地－高频解耦电容的地端－高频率波电容的电压端）。

21 PCB Layout：芯片输入管脚所对应的电流回路
１、该电流环路尽量小， 从而受到的辐射干扰最小。 ２、该环路和功率回路尽量单点连接，从而受到的传导干扰最小。 　　芯片输入管脚电流回路的一般形式：外部反馈信号源－芯片输入管脚－芯片内部逻辑－芯片GND管脚－PCB公共地－外部反馈信号源）。 　　芯片内部电流回路一般形式：解耦电容－芯片VCC－芯片内部子电路－芯片GND管脚－解耦电容－芯片VCC

22 PCB Layout：L6561芯片的管脚类型识别
1、VCC 2、GND 3、输出管脚：无 4、输入管脚：MULT、CS、ZCD 5、输入输出双态管脚：GD 6、外部设置（补偿）管脚：INV、COMP

23 PCB Layout：CCIC芯片的管脚类型识别
1、VCC 2、GND 3、输入输出双态管脚：无 4、输出管脚：GATE、 HILO、 OUT0、 OUT1、 EOL 、 FBCF 5、输入管脚：ZCD1、ZCD2、S1 S2 、NEG0、NEG1、 NEG2、 POS0、 POS1、POS3 6、外部设置（补偿）管脚： RREF、 C_EOL、 C_OSC、 C_ONMAX、COMIN、C_OFFMAX C_OFFMIN

24 PCB Layout：IR2104芯片的的管脚类型识别
1、VCC：VCC、VB （注意：包括浮电源） 2、GND：COM、VS （注意：包括浮地） 3、输入输出双态管脚：LO、HO、 4、输入管脚：IN、SD 5、输出管脚：无 6、外部设置（补偿）管脚：无

25 PCB Layout：MOS管驱动电流回路 (开通瞬间)

26 PCB Layout：MOS管驱动电流回路（关断瞬间）

27 PCB Layout：MOS管驱动电流回路PCB布线实例
芯片的地尽量接近MOS管的源极。如果两者相隔较远，则可能导致误动作，原因是这样的：地和地之间的电位不一定是零，由于大电流和地电阻，如果驱动芯片的地电位大于MOS管的源极地电位，则MOS管可能会工作于放大状态，引起误动作。所以在PFC电路中，L6561的地应该尽量靠近BOOST－MOS源极的检测电阻的接地端，而无需靠近电解电容的地。同样，在HBCF中，IR2104的COM管脚靠近HBCF下MOS管的源极处的‘GND’，而IR2104的浮地管脚VS靠近HBCF上MOS管的源极。并且，MOS管驱动电流回路应该尽量避免和大电流回路出现大段的重叠区域，尽量实现单点连接。 见EHS150W中三个MOS管的栅极驱动电路的布线。

28 PCB Layout：三极管管驱动电流回路
基本原则： 1、GND1、GND2、GND3尽量是同一个地，并且三者距离很近； 2、如果GND3和GND2不是相同的地块，两者之间有电位差，三极管有误导通的危险。 （传导干扰） 3、即便GND2和GND3是相同的地块，但是如果GND2到GND3的走线和大电流的回路地块重叠部分太多，则三极管也有误导通的危险；（传导干扰） 4、即便GND2和GND3共地，GND2到GND3的走线也不和大电流地块向重叠，但是如果环路2面积太大，感应噪声也可能误触发三极管（辐射干扰。） 5、引入电容CB，引入电阻RB2，并调整RB1和RB2之间的比率，可以抑制传导类或者感应类噪声对三极管的误触发； 6、在布线时，RB1、RB2和CB都应该尽量靠近三极管的基极。 三极管有两种工作状态： 开关状态和放大状态 工作于放大状态： 对环路2的布线更加敏感；

29 PCB Layout：敏感信号线的识别 1、主电路状态检测信号线； 2、控制芯片的输入输出信号线；
3、开关（三极管、MOS管）的驱动信号线； 状态检测信号线（传感器：避免被干扰，保证信息的精准性，提高控制精度） 由于检测功能的执行部分充当功率电路和控制电路和芯片之间的桥梁，所以比较敏感，对于控制的可靠性和控制进度非常重要。 1、灯功率信息检测；2、ZCD过零检测和零电流开通；3、电流峰值检测和过流保护；4、灯电压信息检测；5、温度检测和温度保护； 芯片管脚电流回路的布线原则 1、芯片的输入管脚电流回路； 2、芯片的输出管脚电流回路； 开关控制元器件电流回路的布线原则 1、三极管电流回路； 2、MOS管驱动回路；

30 PCB Layout：敏感信号线布线的一般性原则
一、敏感信号受到干扰的３个主要原因： 　１、信号电流回路和功率电流在地线上交叉部分太多；（电阻性干扰） 　２、由于电磁感应，信号电流回路中引入了Ldi/dt类噪声；（电感性干扰） 　３、由于位移电流，信号电流回路中引入了Cdv/dt类噪声；（电容性干扰） 二、敏感信号布线的一般性原则 　１、尽量减小高频大电流回路面积，减小高频高压支路铜箔面积，从而抑制 　　　干扰源； 　２、信号电流回路的地线和功率地单点连接，单独走线，从而抑制电阻性干 　　　扰； 　３、尽量远离开路磁场，最大限度减小信号电流回路面积，从而减小了接收 　　　磁力线的面积，抑制了电感性干扰； 　４、尽量远离高频高压支路，尽量和高频高压支路垂直走线，从而抑制电感 　　　性干扰。同时，信号线应该尽量伴地走（避雷针原理）。

31 PCB Layout：电压型敏感信号和电流型敏感信号
电压型控制信号 电压型反馈信号 电流型控制信号 电流型反馈信号

32 PCB Layout：共地（共浮地）和单点连接式
干净的地块

33 PCB Layout：铺地块的意义和注意事项
一、意义： 1、实现电流环路面积最小化同时不会增大dv/dt噪声； 2、提高敏感信号的抗干扰能力（避雷针原理）； 3、增大散热表面积和散热速度，降低镇流器的温升。 二、一些注意事项： 1、保证足够的爬电距离； 2、完整地块和reflow虚焊之间的可能联系； 3、地块连接和单独走地线之间效果对比； 4、

34 PCB Layout：热源识别和热敏元器件布线基本原则
镇流器中最主要的热源分下面四类： 1、半导体器件所带来的热（PN结的结温）： a、MOS管； b、二极管（工频整流、高频续流） 2、磁性元件所带来的热（铜损＋铁损）： a、电感；b、变压器； 3、电阻元件所带来的热（I2R焦耳热）： a、功率检测；b、电流检测 c、限流；d、NTC防浪涌； 4、电解电容的自温升： 热敏元器件布线的基本原则：尽量远离热源。

35 生产线上出现的一些同PCB Layout相关的问题
虚焊：焊盘被放大，导致reflow面存在虚焊； 机械损伤：1、Wave面元器件、机插件、手插件太靠近panel和传送带接触部位，导致元器件被传送带刮伤。 2、机打件夹具碰坏reflow面的元器件；（欧洲270°机打，中国360°机打） 过孔导电性不好：锡膏不能流到reflow面，金属化过孔内金 属量太少，导致接触不好。

36 PCB layout优化的一般过程 1、设计工程师在原理图中详尽标注高压支路、高频高压支路；
2、设计工程师先向PCB工程师交待元器件位置在PCB的 总体布局； 3、PCB工程师按照电流回路的基本思路将PCB板布通； 4、设计工程师校核， PCB工程师修改；（多次重复） 5、PCB工程师将生产线问题考虑在内，再修改PCB； 6、 PCB工程师将PCB铺地块； 7、设计工程师最后校核， PCB工程师最后修改并定稿；

37 PCB layout研讨主题回顾 1、每类线路的功能模块大致区分。要能辨别高电压，大电流以及各种敏感回路，只要有个起码的概念。
2、地线走法: 功率地和信号地的基本区分。 3、输入及其他相关区域的爬电设置。 4、大电流/小电流回路走法。 5、大功率/小功率回路走法。 6、敏感区域中跳线的运用。 7、热敏感区域的辨别。 8、如何有效改善EMI。 9、铺地铜的技巧。

38 PCB layout：总结 1、Layout中最重要概念：高频电流环路、高频电压支路；

39 Q & A