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开关电源的PCB版图设计及其电磁兼容分析
摘要
21世纪，电子领域发展迅速，使得由集成电路构成的电子系统朝着大规模、小体积和高速度的方向发展。
随着芯片的体积越来越小，电路的开关速度越来越快，PCB的密度越来越大，信号的工作频率越来越高，高速电路PCB的电磁兼容、信号完整性和电源完整性等问题一步步凸显出来，并且相互紧密地交织在一起。
其中最基础的无疑是PCB版图的设计，元器件的选取、布局的合理性、电磁兼容性等都是决定PCB版图最终能否运行的关键因素，当然这也将决定生产出的芯片的好坏以及由芯片构成的电子系统的质量等等。
本文通过选择一张较为典型的高速单片开关电源图，对其进行SCH图以及PCB版图的绘制，并就其会产生的电磁兼容问题进行分析和讨论，提出抑制干扰的方法和手段，初步解决了单片开关电源的电磁兼容问题。
关键词：
Protel99SE，EMC，开关电源，高速PCB，仿真
Abstract
The21stcentury,therapiddevelopmentofelectronicsmadebytheelectronicsystemtowardintegratedcircuitscomposedoflarge-scale,smallsizeandhigh-speeddirection.Asthechipsbecomesmaller,circuitsswitchingbecomefaster,PCBincreasingdensity,thesignalincreasingfrequency,theelectromagneticcompatibility,signalintegrityandpowerintegrity prominentissues,whichofhigh-speedcircuitPCB,areallunveiledandeachcloselyintertwined.Undoubtedly,themostbasicofwhichisthePCBlayoutdesign,componentselection,layoutreasonable,andelectromagneticcompatibilityarealltheultimatedecisionofthekeyfactorforwhetherPCBlayouttorun.Ofcourse,italsodecidedtoproduceagoodorbadchipsandthequalityofelectronicsystemswhichcomposedbythechip.
Inthispaper,bychoosingamoretypicalhigh-speedchipswitchingpowersupplydiagram,anddrawitsSCHandPCB.Makeanalysisanddiscussionabouttheproblemofelectromagneticcompatibilityofthediagramwhichthepaperchooses.Proposedmeasurestorestraintheelectromagneticinterferenceanddesignaelectromagneticinterferencefiltertosolvetheelectromagneticcompatibilityofswitchingpowersupply.
Keywords:
Protel99SE,EMC,powerswitch,high-speedPCB,simulation
1绪论
1.1概述
印制电路板（PrintedCircuitBoard）作为电子产品的重要部件之一，它对于电子产品，就犹如住宅对于人类社会一样。
随着生产、生活中微电子技术的不断发展，如今，任何电子产品（从迈进千家万户的家用电器到遨游太空的宇宙飞船；从随处可见的收音机、电子表、手机到巨型计算机），这些都是由形形色色的电子元器件组成的，而这些电子元器件的载体以及相互连接所依靠的正是印制电路板。
不断发展的PCB技术使得电子产品的设计和装配走上了标准化、规模化、自动化的道路，并使得电子产品的体积逐渐减小、成本也随之降低；可靠性和稳定性在不断的提高，而装配及维修变得更加的简单。
现在可以不夸张的说，人类的生活、现代电子信息技术等都离不开印制电路板。
1.2印制电路板的发展简况
印制电路板的发明者是奥地利人保罗爱斯勒（PaulEisler），他于1936年在一个收音机装置内采用了印刷电路板，从此印制电路板的时代就开始了。
从一开始采用加成法到1953年利用减成法工艺，从1964年美国光电路公司使用新的加成法制造印制电路板，到1998年使用积层法，印制电路板的发展是与时俱进的。
虽然20世纪90年代前期，印制电路板的发展经历了一段低谷时期。
但是自1994年，印制电路板又开始恢复其发展，直至今日。
这些岁月里，印制电路板的改变不仅证明科技水平的提高、更是在证明人类文明的进步，大家都有目共睹。
1943年，美国人将该技术大量使用于军用收音机内。
1948年，美国正式认可这个发明用于商业用途。
自20世纪50年代中期起，印刷电路版技术才开始被广泛采用。
在印制电路板出现之前，电子元器件之间的互连都是依靠电线直接连接实现的。
而现在，电路面包板只是作为有效的实验工具而存在；印刷电路板在电子工业中已经占据了绝对统治的地位[1]。
1.3印制电路板的发展趋势
1903年，AlbertHamson首先采用了“线路”的概念，并把它应用于电话交换系统。
这种概念是把薄薄的金属箔切割成线路导体，然后再将它们黏合在石蜡纸上，最后在上面同样贴上一层石蜡纸，这样便构成了现今印制电路板的结构雏形。
根据不同微电子技术的需要，印制电路板一般可以分为单层板、双层板、多层板及软板，比较常见的多层板一般为4层板或6层板，复杂的多层板可达十几层。
层数的增加也就是技术难度的增加，可见如今的科学技术的发展是多么的令人叹为观止。
相信随着时间的推移，将来几十层的板也一定会出现。
目前，全球电子元件产业总产值中有四分之一以上被PCB产业产值所占领，这个数字对于电子元件产业而言，是占比重最大的产业，产业规模可达400亿美元。
同时，由于其在电子基础产业中的独特地位，已经成为当代电子元件业中最活跃的产业。
而PCB研究在我国起步较晚，始于1956年。
在1963~1978年中，PCB产业逐步扩大。
改革开放后20多年，由于引进国外先进技术和设备，单面板、双面板和多层板均获得快速发展，国内PCB产业由小到大逐步发展起来。
到2002年，中国成为第三大PCB产出国。
2003年，PCB产值和进出口额均超过60亿美元，已成为世界第二大PCB产出国。
我国PCB产业近年来保持着20%左右的高速增长，并预计在2010年左右超过日本，成为全球PCB产值最大和技术发展最活跃的国家。
1.4高速印制电路板的概述
高速印制电路板是科技技术发展的产物。
随着电路频率的提升，高速印制电路板设计的要求、技术也在不断的提升。
2001年半导体行业协会对未来芯片上时钟频率做了一个规划[半导体国际技术发展蓝图（ITRS）]，根据规划，随着处理器时钟频率不断增长，必然意味着系统上的数据传输速率、总线速率不断增长。
此外，其他产品如高速通信产品中的数据传输率和时钟频率也会加速提高。
因为，越来越多的电子系统设计师将从事100MHz频率以上的电路设计。
目前，超过一半的数字系统的时钟频率高于100MHz。
当系统时钟频率50MHz时，将出现传输线效应和信号完整性问题；而系统时钟频率达到120MHz时，基于传统方法设计的PCB将无法工作，必须使用高速电路设计知识，设计的高速印制电路板才能进行使用。
因此，高速印制电路板的设计方法已经成为现代电子系统设计师必须掌握的知识。
只有掌握了这些技术，才能实现设计过程的可控性。
2本文涉及到的高速电路图的选择
2.1概述
为了熟悉高速印制电路板的设计过程以及设计过程中需要注意、掌握的知识等，所以本文将选择一张电路图，对其PCB设计过程（包括手工绘制和自动布线的过程，以及涉及到的仿真分析、元件库的生成、走线的拓扑结构、电磁兼容技术、地线处理、设计规则检查、图纸输出等）进行分析，希望通过完成本文，能更加熟悉SCH电路图，及其PCB的设计过程，进一步了解电磁兼容技术，希望能对今后的工作有帮助。
2.2高速的界定
现在的电子系统时钟频率越来越高。
如果一个数字系统的时钟频率达到或者超过50MHz，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的分量（比如说1/3），这就称为高速电路[2]。
通常认为走线传播延时大于20%驱动端的信号上升时间，则认为此类信号是高速信号并可能产生传输线效应。
信号上升时间的典型值一般可通过器件手册查出，而信号的传播时间在PCB设计中由实际布线长度和传播速度决定。
例如：
“FR4”板上信号传播速度大约为6in/ns，但如果过孔多，器件引脚多，速度将降低，高速逻辑器件的信号上升时间大约为2ns，则安全的走线长度将不应超过0.24in。
2.3传统电路的设计方法与高速电路的设计方法比较
2.3.1传统电路的设计方法
传统电路设计方法的流程图如图2-1所示。
图2-1传统电路的设计方法流程图
传统电路的设计方法存在较多的缺陷，主要体现在原理图设计阶段以及版图设计阶段。
在原理图设计阶段，由于在过程中缺少有效、合理的分析方法以及仿真的工具，原理图的设计一般只能依靠元器件数据手册或者是过去的设计经验来进行。
但是这对于一个新的设计项目而言，就很难根据具体情况对元器件参数、电路拓扑结构等做出正确的判断和选择。
在PCB版图设计时，同样也会出现因为缺乏有效的手段，而对叠层规划、元器件布局、布线等所产生的影响等来不及进行实时分析和评估，这样版图设计的好坏通常只能依赖于设计者的经验。
所以，对于传统的PCB设计，PCB的性能只有在制作完成后才能进行评定。
如果不能满足性能要求，就需要经过多次的检测，尤其是对有问题的原理图设计和版图设计中的参数需要反复多次的实验。
2.3.2高速电路的设计方法
高速电路的设计方法主要是基于信号完整性分析的PCB设计，其流程如图2-2所示。
图2-2高速电路的设计方法流程图
由于高速电路的原理图设计及版图设计原本就是一个非常复杂和繁琐的设计过程，需要综合考虑制作工艺、系统成本、信号完整性、电源完整性、电磁兼容、机械设计和热分析等因素的影响。
因此只有改进传统PCB设计，才能更好的满足于科技的需求。
而通过此设计流程，设计者几乎不需要或只需要很少的重复修改设计及制作便能得到最终的定稿，从而也能缩短产品开发周期，降低开发的成本[3]。
2.3.3经验法则
假设“Tr”为信号上升时间，“TD”为信号线传播延时。
如果Tr≥5TD，信号落在安全区域；如果5TD≥Tr≥2TD，信号落在不确定区域；如果2TD≥Tr，信号落在问题区域。
对于落在不确定区域及问题区域的信号，应该使用高速电路设计方法。
2.4常见的开关电路
开关电路的频率落在1MHz左右，电流和电压的高次谐波较大，在20倍基波频率处，可能还有5%的幅度，所以也属于高速电路。
我们电气自动化专业学生学习过电力电子技术，有能力对开关电路进行分析。
开关电路在我们的生活中无处不在，小到手机充电器，大到电视机等，都有开关电路的身影。
下面简单介绍作者收集到的几种开关电路，对开关电路进行分析，以有利于相关PCB的设计。
2.4.1手机充电器
图2-3手机充电器内部电路图
该充电器采用了RCC型开关电源，即振荡抑制型变换器。
它是由稳压器组成电平开关，控制过程为振荡状态和抑制状态。
且它的控制过程并非线性连续变化，它只有两个状态：
当开关电源输出电压超过额定值时，脉冲控制器输出低电平，开关管截止；当开关电源输出电压低于额定值时，脉冲控制器输出高电平，开关管导通。
当负载电流减小时，滤波电容放电时间延长，输出电压不会很快降低，开关管处于截止状态，直到输出电压降低到额定值以下，开关管才会再次导通。
开关管的截止时间取决于负载电流的大小。
开关管的导通／截止由电平开关从输出电压取样进行控制。
因此这种电源也称非周期性开关电源。
2.4.2收音机开关电源
图2-4收音机开关电源内部电路图
该6V小型收音机用开关电源供电，采用的是自激式振荡电路，变压器耦合降压输出。
接通市电后，220V交流经D1~D4桥式整流和C1滤波后输出约260V的直流高压，经R3、R5向高压开关三极管Q的负载L1和b极供电，Q管导通，电流经变压器T初级绕组L1产生脉冲磁场。
脉冲磁场经L3耦合输出<9.5V的电压，经D8整流和C5滤波后输出8V左右的直流电压。
另一路径L2耦合输出负反馈电压，此负向反馈电压经C2、R6、R4、R5加至Q基极使Q截止；高压直流再经过R3、R5使Q管导通，L3再次输出脉冲电流，新一轮电磁感应使L2负反馈电流再次经原路使Q管截止。
电路周而复始的变化使电路产生持续振荡，L3持续输出直流供电。
2.4.3电视机电源电路
图2-5日立A3P-B2彩电开关电源电路图
STR6709的9脚加上6V以上的电压，开关电源就能起振。
C907上的约300V电压，经T901的P1、P2绕组加到IC901的1脚内部开关管的C极，同时220V交流电经D908整流、R903、R917限流、C909滤波，得到不稳定的直流电压加到IC901的9脚，开关电源开始振荡。
电源起振后，V1、V2绕组感应到的电压经D903整流后得到9.5V电压，继续为IC901的9脚供电。
Q901是为待机时为IC9019脚供电而设的，正常开机时，由V3绕组输出、D902整流、C908滤波得到的电压约52V，但此时Q901的E极电压为9.5V，B极被HD901（7.2V）箝位，B极电压低于E极电压，故Q901截止。
在待机时，各路输出的电压降到原来的1/4，D903整流后的电压不能维持IC9019脚的供电，但此时Q901导通，输出约6.6V的电压继续为IC901供电。
2.5本文涉及到的高速电路图的选择
随着高频技术的发展，高速电路的设计占了大半的江山。
本作者将首先选择一张合适的高速电路图，用其作为PCB设计的对象并进行电磁兼容分析。
作者通过搜寻，最终挑选了难度较为适中的反激式单片开关电源作为主要研究对象。
它是基于TOP225Y8的单片开关电源，电路图如图2-6所示。
图2-6单片开关电源电路图
选择此单片开关电源的原因有如下几条：
（1）有50Hz输入整流滤波回路，电流较大，趋于1A，包含了较为丰富的高次谐波；
（2）输出电流较大，约5A，有整流、滤波电路；
（3）有较完备的钳位保护回路。
3单片开关电源的电路分析
3.1单片开关电源中的元器件
根据图2-6可列出此单片开关电源的元器件清单如表3-1所示。
表3-1单片开关电源的元器件清单
序号
元器件名称
数量
元器件编号
元器件型号
元器件参数
1
整流桥
1
BR
DF06
1A/600V
2
电容
3
C1、C2、CF
独石
0.1uF
3
电容
1
CIN
电解电容
200uF
4
电容
1
COUT
电解电容
1000uF
5
电容
1
CT
电解电容
47uF
6
钳位二极管
1
VDZ1
P6KE200
10A/600V
7
稳压二极管
1
VDZ2
IN4746
30mA/18V
8
超快恢复二极管
1
VD1
BAV21
10A/700V
9
超快恢复二极管
1
VD2
MUR820
5A/100V
10
超快恢复二极管
1
VD3
BAV21
1A/100V
11
电阻
1
R1
RJ11
1kΩ
12
单片逆变模块
1
IC1
TOP225Y
1A/600V
13
变压器
1
T
ZHSK-1250/10
100W，
匝数比200：
20
14
光耦
1
IC2
PC817
CTR1:
1
3.1.1钳位二极管
钳位二极管是一种新型过压保护器件，又称瞬态抑制二极管。
由于它的响应速度极快、钳位电压稳定、体积小、价格低，因此可作为各种仪器仪表、自控装置和家用电器中的过压保护器，还可用来保护单片开关电源集成电路、MOS功率器件以及其他对电压敏感的半导体器件。
其外形和符号如图3-1所示。
图3-1钳位二极管的外形图和图形符号
钳位二极管常见的封装有DIODE、DO-41、A27K、A37K，而在Protel99SE中常用MEFL1或RAD等来表示钳位二极管的封装。
钳位二极管在承受瞬态高电压（例如浪涌电压、雷电干扰、尖峰电压）时，能迅速反向击穿，由高阻态变成低阻态，并把干扰脉冲钳位于规定值，从而保证电子设备或元器件不受损坏。
钳位时间定义为从零伏达到反向击穿电压最小值所需要的时间。
TVS的钳位时间极短，仅1ns，所能承受的瞬态脉冲峰值电流却高达几十至几百安。
其性能要优于压敏电阻器（VSR），且参数的一致性好[4]。
3.1.2快恢复二极管
快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同，它是在P型、N型硅材料中增加了基区I，构成P-I-N硅片。
由于基区很薄，反向恢复电荷很小，不仅大大减小了trr值，还降低了瞬态正向电压，使管子能承受很高的反向工作电压。
快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百ns，正向压降为0.6～0.7V，正向电流是几安至几千安，反向峰值电压可达几百伏至几千伏。
超快恢复二极管则是在快恢复二极管基础上发展而成的，其反向恢复电荷进一步减小，trr值可低至几十纳秒。
20安以下的快恢复二极管及超快恢复二极管大多采用TO-220封装。
从内部结构看，可分成单管、对管两种。
对管内部包含两只快恢复或超快恢复二极管，根据两只二极管接法的不同，又有共阴对管、共阳对管之分。
几十安的快恢复、超快恢复二极管一般采用TO-3金属壳封装，更大容量（几百安至几千安）的管子则采用螺栓型或平板型封装。
3.1.3光耦合器
光耦合器（OpticalCoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。
它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内[5]。
（1）光耦合器的性能特点
光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。
光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR等。
电流传输比是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。
当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。
其公式为：
（3.1）
采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20%～300%（如4N35），而PC817则为80%～160%，达林顿型光耦合器（如4N30）可达100%～5000%。
这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。
因此，CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。
线性光耦合器与普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲线，分别如图3-2中的虚线和实线所示。
图3-2光耦合器CTR-IF特性曲线
由图3-2可见，普通光耦合器的CTR-IF特性曲线呈非线性，在IF较小时的非线性失真尤为严重，因此它不适合传输模拟信号。
线性光耦合器的CTR-IF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比（ΔCTR＝ΔIC/ΔIF）很接近于直流电流传输比CTR值。
因此，它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。
（2）光耦合器的选取原则
A．光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围是50%～200%。
这是因为当CTR＜50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流（IF＞5.0mA），才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。
若CTR＞200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出；
B．推荐采用线性较好的光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。
经查阅元器件手册[6]，采用Motorola公司的PC817型光耦合器。
其相应的直插式封装为DIP-4，而贴片式封装为SO-4。
3.2单片开关电源电路基本原理
如图2-6所示，高频变压器在电路中具备能量存储、隔离输出和电压变换着三种功能。
由图可见，高频变压器触及绕组Np的极性（同名端用黑圆点表示），恰好与次级绕组Ns、反馈绕组NF的极性相反。
这表明在开关电源导通时，电能就以磁场能量形式储存在初级绕组中，此时VD2截止。
当开关电源截止时VD2导通，能量传输给次级，刺激反击是开关电源的特点。
图中，BR为整流桥，CIN为输入端滤波电容。
交流电压u经过整流滤波后得到直流高压UI，经初级绕组加至开关电源的漏极上。
鉴于在开关电源关断时刻，由高频变压器漏感产生的尖峰电压会叠加在直流高压UI和感应电压UOR上，可是功率开关管漏籍电压超过700V而损坏芯片；为此在初级绕组两端增加漏极钳位保护电路。
钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管（VDZ1）、阻塞二极管（VD1）组成，VD1应采用超快二极管（SRD）。
VD2为次级整流管，COUT是输出端滤波电容。
目前国际上流行采用配稳压管的光耦反馈电路。
反馈绕组电压经过VD3、CF整流滤波后获得反馈电压UFB，经光耦合器重的光敏三极管给开关电源的控制端提供偏压，CT是控制端C的旁路电容。
设稳压管VDZ2的稳定电压为UZ2，限流电阻R1两端的压降为UR，光耦合器中LED发光二极管的正向压降为UF，输出电压Uo由下式设定：
Uo=UZ2+UF+UR（3.2）
则其稳压原理简述如下：
当由于某种原因致使Uo升高时，因UZ2不变，故UF随之升高，使LED的工作电流IF增大，再通过光耦合器使开关电源控制端电流IC增大。
但因开关电源的输出占空比q与IC成反比，故q减小，这就迫使Uo降低，达到稳压目的。
反之亦然[7]。
4单片开关电源SCH版图的设计
4.1Protel简介
CAD是ComputerAidedDesign（计算机辅助设计）的简称，早在20世纪70年代军工部门就利用计算机来完成飞机、火箭等航空器的设计工作。
电子线路CAD基本含义是使用计算机来完成电子线路的设计过程，包含电原理图的编辑、电路功能仿真、工作环境模拟、印制板设计（自动布局、自动布线）与检测等。
电子线路CAD软件还能迅速形成各种各样的报表文件，如元件清单报表，为元器件的采购及工程预决算等提供了方便。
美国ACCELTechnologies公司于1998年推出了在当时非常受欢迎的电子线路CAD软件包——TANGO，它具有操作方便、易学、实用、高效的特点，但随着集成电路技术的不断进步─集成度越来越高，引脚数目越来越多，封装形势也趋于多样化，使电子线路越来越复杂，TANGO软件的局限性也越来越明显。
为此，澳大利亚ProtelTechnology公司推出ProtelCAD软件，以作为TANGO的升级版本。
Protel上市后迅速取代了TANGO成为当时影响最大、用户最多的电子线路CAD软件包。
但早期的Protel均属于DOS应用程序，只能通过键盘命令完成相应的操作，操作起来并
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