在現(xiàn)代電子設(shè)備中，LED 照明以其高效、節(jié)能、長壽命等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。而 LED 開關(guān)電源作為 LED 照明系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)照明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。PCB(Printed Circuit Board，印刷電路板)回路設(shè)計(jì)是 LED 開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，合理的 PCB 回路設(shè)計(jì)能夠有效提高電源的效率、降低電磁干擾(EMI)，并確保電源工作的穩(wěn)定性。本文將詳細(xì)介紹如何使用 LED 開關(guān)電源設(shè)計(jì) PCB 回路。

LED 開關(guān)電源的工作原理概述

LED 開關(guān)電源通常采用 PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定控制。其基本工作過程為：首先將輸入的交流電通過整流橋轉(zhuǎn)換為直流電，然后利用開關(guān)管的高頻通斷，將直流電轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電壓，該脈沖電壓經(jīng)過變壓器進(jìn)行電壓變換，最后通過整流、濾波電路得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，為 LED 提供合適的驅(qū)動(dòng)電源。在這個(gè)過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)的電流特性和信號(hào)特點(diǎn)都對(duì) PCB 回路設(shè)計(jì)提出了特定的要求。

PCB 回路設(shè)計(jì)流程

建立元件參數(shù)

在開始設(shè)計(jì) PCB 回路之前，需要準(zhǔn)確確定電路中各個(gè)元件的參數(shù)。對(duì)于 LED 開關(guān)電源，關(guān)鍵元件包括開關(guān)管(如 MOSFET)、變壓器、整流二極管、濾波電容等。以開關(guān)管為例，需要明確其最大耐壓值、最大電流、導(dǎo)通電阻等參數(shù)，這些參數(shù)將影響到元件在 PCB 上的布局以及走線的寬度等設(shè)計(jì)因素。通過查閱元件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以獲取準(zhǔn)確的參數(shù)信息，并將其輸入到 PCB 設(shè)計(jì)軟件中，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。

輸入原理網(wǎng)表

將繪制好的電路原理圖生成網(wǎng)表文件，該網(wǎng)表文件包含了電路中各個(gè)元件的連接關(guān)系和屬性信息。然后將網(wǎng)表文件導(dǎo)入到 PCB 設(shè)計(jì)軟件中，軟件會(huì)根據(jù)網(wǎng)表信息自動(dòng)生成元件的封裝和連接關(guān)系的初步布局，這為后續(xù)的手工布局和布線提供了一個(gè)基礎(chǔ)框架。在導(dǎo)入網(wǎng)表過程中，要仔細(xì)檢查是否有元件缺失或連接錯(cuò)誤的提示，確保網(wǎng)表信息的準(zhǔn)確性。

設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置

電氣安全間距：相鄰導(dǎo)線間距必須滿足電氣安全要求，最小間距應(yīng)能承受電路中的最高電壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)于高、低電平懸殊的信號(hào)線，應(yīng)盡可能縮短其長度并加大間距，一般情況下可將走線間距設(shè)為 8mil(1mil = 0.0254mm)。同時(shí)，焊盤內(nèi)孔邊緣到印制板邊的距離要大于 1mm，防止加工時(shí)焊盤缺損。

線寬設(shè)置：根據(jù)電路中不同線路所承載的電流大小來設(shè)置線寬。例如，功率走線要承受較大電流，對(duì)于 1A 的電流，在普通 1.6mm 厚的 PCB 上，走線寬度大約為 1mm，并且可根據(jù)需要適當(dāng)加寬以減少電壓降。而信號(hào)走線的寬度一般比功率走線窄，需根據(jù)信號(hào)頻率和傳輸距離確定。

手工布局

功能模塊劃分：將 LED 開關(guān)電源的電路按照功能劃分為不同模塊，如輸入濾波模塊、功率變換模塊、輸出濾波模塊和控制模塊等。各個(gè)功能模塊應(yīng)相對(duì)集中布局，模塊之間要有清晰的邊界，以避免不同模塊之間的信號(hào)相互干擾。例如，輸入濾波模塊中的電容、電感等元件應(yīng)靠近電源輸入引腳放置，形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的濾波區(qū)域。

關(guān)鍵元件布局

功率器件和磁性元件：開關(guān)管、整流二極管等功率器件以及變壓器、電感等磁性元件是電源中發(fā)熱量大且電流變化劇烈的部分。應(yīng)將它們盡量靠近放置，以縮短連接線路，減小線路電阻和電感，降低功率損耗和電磁干擾。例如，在反激式開關(guān)電源中，開關(guān)管和變壓器距離過遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致連接導(dǎo)線的寄生電感增大，在開關(guān)管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生較大電壓尖峰，影響開關(guān)管壽命并產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾。

輸入輸出電容：輸入電容應(yīng)盡可能靠近電源輸入引腳，采用多個(gè)不同容值電容并聯(lián)，如一個(gè)大容量電解電容濾除低頻紋波，再并聯(lián)一個(gè)小容量陶瓷電容濾除高頻噪聲，且電容引腳要盡量短，減小寄生電感。輸出電容同樣要靠近負(fù)載，對(duì)于對(duì)輸出電壓精度要求高的應(yīng)用，可在負(fù)載附近增加小濾波電感，組成 LC 濾波電路，保證輸出電壓穩(wěn)定性。

控制芯片：控制芯片是開關(guān)電源核心，負(fù)責(zé)控制開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷。應(yīng)將其放置在遠(yuǎn)離大功率器件和磁性元件區(qū)域，避免受到電磁干擾。同時(shí)，在芯片電源引腳附近放置 0.1μF 陶瓷電容和 10μF 電解電容，用于濾除電源線上高頻和低頻噪聲，確保芯片穩(wěn)定工作。

考慮散熱：功率器件和磁性元件應(yīng)放置在 PCB 散熱區(qū)域或靠近散熱片?？稍谶@些元件下方設(shè)置大面積散熱銅箔，并通過過孔將熱量傳導(dǎo)到 PCB 其他層，提高散熱效率。同時(shí)，避免將熱敏元件(如小信號(hào)處理芯片)放置在功率器件和磁性元件附近，防止因過熱性能下降。

布局原則

PCB 尺寸：PCB 尺寸過大，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降且成本增加;過小則散熱不好，鄰近線條易受干擾。電路板最佳形狀為矩形，長寬比為 3:2 或 4:3，位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于 2mm。

焊接便利性：放置器件時(shí)要考慮后續(xù)焊接，避免過于密集，方便焊接操作。

信號(hào)流通：按照電路流程安排各個(gè)功能電路單元位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致方向。

布線布通率：布局首要原則是保證布線布通率，移動(dòng)器件時(shí)注意飛線連接，將有連線關(guān)系的器件放在一起。

減小環(huán)路面積：盡可能減小環(huán)路面積，以抑制開關(guān)電源輻射干擾。

手工布線

功率走線：功率走線承受較大電流，要有足夠?qū)挾?，且盡量短而直，避免銳角和直角，不得不轉(zhuǎn)彎時(shí)采用 45° 角或圓角。例如，在從開關(guān)管到變壓器的連接線路中，要保證走線短而粗，以降低線路電阻和電感，減少功率損耗和電磁干擾。

信號(hào)走線：信號(hào)走線要保證信號(hào)完整性，避免信號(hào)失真和干擾。信號(hào)走線寬度根據(jù)信號(hào)頻率和傳輸距離確定，高頻信號(hào)采用微帶線或帶狀線形式布線。同時(shí)，信號(hào)走線要遠(yuǎn)離功率走線和磁性元件，可在信號(hào)走線兩側(cè)設(shè)置地線屏蔽干擾。

過孔使用：過孔用于連接 PCB 不同層，但會(huì)引入寄生電感和電容。在功率走線中，可使用多個(gè)過孔并聯(lián)，減小過孔電阻和電感，保證電流順利傳輸。對(duì)于高頻信號(hào)，要控制過孔尺寸和數(shù)量，避免對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生不良影響，同時(shí)確保過孔與元件引腳連接可靠。

布線方向與規(guī)則：從焊接面看，元件排列方位盡可能與原理圖一致，布線方向最好與電路圖走線方向一致，便于生產(chǎn)中檢查、調(diào)試及檢修。設(shè)計(jì)布線圖時(shí)走線盡量少拐彎，印刷弧上線寬不要突變，導(dǎo)線拐角應(yīng)≥90 度，力求線條簡單明了。印刷電路中不允許有交叉電路，對(duì)于可能交叉線條，可用 “鉆”(讓引線從別的元件腳下空隙處穿過)、“繞”(從可能交叉的某條引線一端繞過去)兩種辦法解決，特殊情況下允許用導(dǎo)線跨接解決交叉電路問題。

驗(yàn)證設(shè)計(jì)

布線完成后，使用 PCB 設(shè)計(jì)軟件的驗(yàn)證功能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查。主要檢查內(nèi)容包括：線與線、線與元件焊盤、線與貫通孔、元件焊盤與貫通孔、貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求;電源線和地線寬度是否合適，在 PCB 中是否還有可加寬地線的地方;檢查是否存在短路、斷路等電氣連接錯(cuò)誤。通過驗(yàn)證設(shè)計(jì)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)計(jì)中的問題，確保 PCB 設(shè)計(jì)的正確性。

復(fù)查

復(fù)查是對(duì)整個(gè) PCB 設(shè)計(jì)過程的全面回顧和檢查，內(nèi)容包括設(shè)計(jì)規(guī)則、層定義、線寬、間距、焊盤、過孔設(shè)置等是否符合要求，重點(diǎn)復(fù)查器件布局的合理性，電源、地線網(wǎng)絡(luò)走線是否正確。同時(shí)，還要檢查是否滿足安規(guī)要求，如一次側(cè)和二次側(cè)電路的隔離措施是否到位，電氣間隙和爬電距離是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)等。在復(fù)查過程中，要仔細(xì)核對(duì)每一個(gè)細(xì)節(jié)，確保設(shè)計(jì)無誤。

CAM 輸出

經(jīng)過驗(yàn)證和復(fù)查無誤后，將 PCB 設(shè)計(jì)文件輸出為 CAM(Computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造)文件。CAM 文件包含了 PCB 制造所需的各種信息，如線路層、絲印層、阻焊層等信息。將 CAM 文件提交給 PCB 制造商，即可進(jìn)行 PCB 的制作生產(chǎn)。

設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

電磁干擾(EMI)抑制

電路分區(qū)：將初級(jí)和次級(jí)電路分開布置，減少相互干擾。例如，在布局時(shí)將輸入濾波電路、功率變換電路等初級(jí)部分與輸出濾波電路、負(fù)載電路等次級(jí)部分明顯區(qū)分開來。

緊湊布局：盡量減小交流回路、PFC(Power Factor Correction，功率因數(shù)校正)、PWM 和整流回路的包圍面積，以降低 EMI。例如，將電源開關(guān)交流回路和輸出整流交流回路中的濾波電容、電源開關(guān)或整流器、電感或變壓器等主要元件彼此相鄰放置，縮短電流路徑，減小環(huán)路面積。

控制 IC 布局：控制 IC 應(yīng)靠近被控制的 MOS 管，減少控制線路長度，降低線路上引入的干擾。

地線布局：數(shù)字地和模擬地應(yīng)分開，確保地線布局合理，減少干擾。在接地設(shè)計(jì)中，正確選擇單點(diǎn)接地，濾波電容公共端應(yīng)是其它接地點(diǎn)耦合到大電流交流地的唯一連接點(diǎn)，同一級(jí)電路接地點(diǎn)盡量靠近，本級(jí)電路電源濾波電容也接在該級(jí)接地點(diǎn)上。

散熱問題處理

熱管理：根據(jù) PCB 安裝姿態(tài)和位置，合理安排發(fā)熱元件(如電感和變壓器)位置，優(yōu)化散熱。例如，將發(fā)熱元件放置在 PCB 通風(fēng)良好的區(qū)域，或靠近散熱片安裝。

散熱片設(shè)計(jì)：選擇合適散熱片，并考慮熱流方向和空氣對(duì)流，提高散熱效率。例如，在設(shè)計(jì)散熱片時(shí)，確保其散熱鰭片方向與空氣流動(dòng)方向一致，以增強(qiáng)散熱效果。

熱敏感組件保護(hù)：確保熱敏感組件(如電解電容和 IC)遠(yuǎn)離熱源，避免過熱損壞。例如，將電解電容與功率器件保持一定距離，防止其因過熱而縮短使用壽命。

安規(guī)要求滿足

隔離措施：一次側(cè)和二次側(cè)電路通過隔離帶明確分隔，確保電氣間隙和爬電距離符合安全標(biāo)準(zhǔn)。在 PCB 設(shè)計(jì)中，使用足夠?qū)挾鹊母綦x帶來分隔一次側(cè)和二次側(cè)電路，同時(shí)保證不同電路間的電氣間隙和爬電距離滿足相應(yīng)電壓等級(jí)的安全要求。

標(biāo)識(shí)清晰：在高壓區(qū)域使用 1mm 絲印虛線，并明確標(biāo)識(shí) “DANGER / HIGH VOLTAGE”，以警示操作人員注意安全。

電氣間隙和爬電距離：根據(jù)電壓等級(jí)，確保各電路間保持適當(dāng)間隙和距離，以滿足安全要求。例如，在高壓電路部分，要嚴(yán)格按照安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置元件之間的距離，避免因距離過小導(dǎo)致電氣擊穿等安全問題。

結(jié)論

LED 開關(guān)電源的 PCB 回路設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的工程，需要考慮電氣性能、電磁干擾、散熱以及安規(guī)等多方面因素。通過遵循從原理圖到 PCB 設(shè)計(jì)的各個(gè)流程步驟，合理進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、元件布局和布線，并注意設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)要點(diǎn)，能夠設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠的 LED 開關(guān)電源 PCB。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，還可借助專業(yè) PCB 設(shè)計(jì)軟件的仿真和分析功能，提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，為 LED 照明系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。