三端穩(wěn)壓電源PCB板設(shè)計(jì)

《電子CAD—ProtelDXP2004SP2

電路設(shè)計(jì)〔第二版〕》

劉彥忠編著電子教案第七章三端穩(wěn)壓電源PCB板設(shè)計(jì)本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章將通過制作三端穩(wěn)壓電源PCB板，重點(diǎn)介紹電路板制作的根本過程，以到達(dá)以下學(xué)習(xí)目標(biāo)：知識目標(biāo)：掌握PCB元件引腳封裝的更改方法。技能目標(biāo)掌握利用向?qū)б?guī)劃電路板的方法。掌握引腳封裝和網(wǎng)絡(luò)的載入的方法。掌握元件布局的方法。理解主要布線規(guī)那么的含義。掌握主要布線規(guī)那么的設(shè)置方法，自動布線的操作方法?！?.1確定元件封裝7.1.1繪制原理圖7.1.2確定適宜的元件封裝確定元件封裝雖然是在原理圖繪制過程中完成，但對于PCB板的制作至關(guān)重要。PCB板中載入的PCB元件就是根據(jù)原理圖中確定的引腳封裝，從封裝庫中調(diào)出而形成的，因此原理圖元件、原理圖元件的連接關(guān)系和PCB的引腳封裝、PCB板銅箔走線是一一對應(yīng)的，只是二者的表達(dá)方式和側(cè)重點(diǎn)不同而已，原理圖采用“原理圖符號〞和清晰明了的連線來表達(dá)電路的工作原理和信號處理過程，重點(diǎn)在于表達(dá)電路的結(jié)構(gòu)、功能，便于電路講解和分析。PCB板通過“引腳封裝〞和實(shí)際銅箔導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)原理圖的具體功能，重點(diǎn)在于元件的安裝、焊接、調(diào)試等，所以在由原理圖繪制逐步轉(zhuǎn)入PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，必須以原理圖為依據(jù)，接合原理圖綜合考慮PCB元件的布局和布線。誤區(qū)糾正：另外在確定元件引腳封裝時(shí)，不能采取死記硬套的方法。如局部初學(xué)者，特別是臨時(shí)參加考證的學(xué)生，死記硬背元件封裝，遇到電阻，不管體積和功率大小都盲目地采用“AXIAL-0.4〞，看到電解電容，不管大小，都采用“RB7.6-15〞，這樣勢必導(dǎo)致制作的PCB板無法滿足實(shí)際元件的裝配需要。因此在確定引腳封裝前，應(yīng)對電路中的元件實(shí)物有充分的了解，必要時(shí)要采用卡尺進(jìn)行實(shí)際測量，結(jié)合工程六中介紹的常用元件引腳封裝合理選擇。三端穩(wěn)壓電源中各元件的引腳封裝

電阻：由于電源功率不大，限流電阻R1可采用1/4W的電阻，該系列電阻體積較小，可以采用編輯器默認(rèn)的“AXIAL-0.4〞封裝。電容：電容C1、C4為濾波電解電容，體積較大，可以采用編輯器默認(rèn)的“RB7.6-15〞封裝，而電容C2、C3為瓷片電容，體積較小，且為無極性電容，采用編輯器默認(rèn)的“CAPR2.54-5.1x3.2〞。三端穩(wěn)壓電源中各元件的引腳封裝二極管：電路中D1～D4為整流二極管，體積較小，可以采用編輯器默認(rèn)封裝“DIO10.46-5.3x2.8〞。發(fā)光二極管：電路中DS1為發(fā)光二極管，可以采用編輯器默認(rèn)封裝“LED-1〞，如下圖。三端穩(wěn)壓電源中各元件的引腳封裝電感：濾波電感L1原編輯器默認(rèn)封裝為外表貼裝式“INDC1005-0402〞，該封裝適合外表貼裝元件，而本電路板中使用直插式電感。一般電感外形和體積與電解電容相似，而電感L1原理圖符號中的管腳序號也為1，2，與電解電容封裝中的焊盤序號1，2完全對應(yīng)，所以將原封裝更改為常用的直插式電解電容封裝“RB5-10.5〞。三端穩(wěn)壓電源中各元件的引腳封裝接插件：電路中接插件P1連接變壓器，輸入交流電壓，接插件P2連接負(fù)載，輸出穩(wěn)定的直流5V電壓，該元件屬于常用接插件集成庫MiscellaneousConnectors.IntLib，采用默認(rèn)封裝“HDR1X2〞，如下圖。三端穩(wěn)壓電源中各元件的引腳封裝三端穩(wěn)壓塊：電路中三端穩(wěn)壓塊型號為“CW7805〞，該管為塑封外殼的中功率管，外形和管腳如下圖，編輯器默認(rèn)的封裝為“SIP-G3/Y2〞，但該封裝也是外表貼裝形式，不符合實(shí)際使用的直插式三端穩(wěn)壓塊，必須根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜封裝1.觀察三端穩(wěn)壓塊原理圖符號中管腳序號與極性的對應(yīng)關(guān)系。

翻開原理圖文件，雙擊三端穩(wěn)壓塊VR1，彈出VR1的元件屬性對話框，如下圖，選中其顯示隱含管腳信息屬性【顯示圖紙上全部引腳〔即使是隱藏〕】復(fù)選框,點(diǎn)擊【確認(rèn)】按鈕確認(rèn)觀察三端穩(wěn)壓塊原理圖符號中管腳序號與極性的對應(yīng)關(guān)系可看到三端穩(wěn)壓塊VR1管腳序號和管腳名稱，如下圖，1、2、3腳極性依次為Vin、GND、Vout。查看三端穩(wěn)壓塊VR1的默認(rèn)的封裝查看集成庫MiscellaneousDevices.IntLib中三端穩(wěn)壓塊VR1的默認(rèn)的封裝“SIP-G3/Y3〞，如下圖，由默認(rèn)封裝可知，雖然該封裝的焊盤序號與原理圖符號的管腳序號以及實(shí)際三端穩(wěn)壓塊7805的管腳排列相吻合，但該封裝是外表貼片形式，不符合實(shí)際元件的外形。3.確定VR1適宜封裝瀏覽集成庫MiscellaneousDevices.IntLib的封裝形式，可以看到“SFM-T3〞系列的封裝比較符合三端穩(wěn)壓塊VR1的要求，最后通過綜合考慮選定封裝“SFM-T3/X1.6V〞，如下圖。選定該封裝主要考慮該封裝為穿插式，焊盤序號與原理圖符號的引腳序號以及實(shí)際元件的管腳作用和序號完全一致，且焊盤間距和實(shí)際元件的管腳間距相符。更改元件引腳封裝

1.翻開元件屬性對話框翻開原理圖文件，雙擊三端穩(wěn)壓塊VR1，翻開VR1的元件屬性對話框，如下圖，選中圖中【ModelsListforVR1-VoltReg】模型欄中的【Footprint】封裝模型，然后單擊【追加…】添加按鈕。翻開VR1元件屬性對話框2.選擇添加新模型類型。

彈出如圖,所示添加新模型類型選擇對話框：【ModelType】：模型類型下拉列表框中選擇【Footprint】：表示需要添加新封裝模型3.瀏覽封裝庫彈出如下圖添加封裝對話框，點(diǎn)擊【瀏覽…】瀏覽按鈕.瀏覽封裝庫彈出封裝庫瀏覽對話框如下圖，在【Libraries】下拉列表框中選擇“MiscellaneousDevices.IntLib〞，瀏覽并選擇適宜三端穩(wěn)壓塊VR1的封裝“SFM-T3/X1.6V〞。4.選定新封裝通過瀏覽可以看到封裝“SFM-T3/X1.6V〞符合三端穩(wěn)壓塊VR1的管腳極性要求，點(diǎn)擊【確認(rèn)】按鈕，回到圖所示的添加封裝對話框，可以看到對話框中已經(jīng)添加了新的封裝“SFM-T3/X1.6V〞。5.返回屬性設(shè)置對話框。

返回如下圖的屬性設(shè)置對話框，可以看到三端穩(wěn)壓塊VR1的封裝已經(jīng)更改為“SFM-T3/X1.6V〞，單擊【確認(rèn)】按鈕完成設(shè)置?！?.2產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表

在Protel的前期版本〔如Protel98〕中，網(wǎng)絡(luò)表是原理圖和PCB板之間的聯(lián)系紐帶，正是通過網(wǎng)絡(luò)表，PCB編輯器才能從封裝庫中調(diào)入和原理圖元件相對應(yīng)的PCB元件引腳封裝，才知道各封裝焊盤之間的相互連接關(guān)系〔該連接關(guān)系就稱為網(wǎng)絡(luò)〕。網(wǎng)絡(luò)表的作用而在DXP2004中，并不一定要通過載入網(wǎng)絡(luò)表才能調(diào)入PCB元件封裝和網(wǎng)絡(luò)，但讀者可以通過網(wǎng)絡(luò)表查看各元件編號、參數(shù)是否正確，封裝是否適宜，元件之間的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系是否正確等，下面介紹產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表的方法。產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表執(zhí)行【設(shè)計(jì)】/【文檔的網(wǎng)絡(luò)表】/【Protel】菜單命令，如下圖，將建立網(wǎng)絡(luò)表“三端穩(wěn)壓.NET〞?！?.3新建PCB文件并規(guī)劃電路板

必須根據(jù)元件的多少、大小,以及電路板的外殼限制等因素確定電路板的形狀、尺寸大小。本例電路板元件不多，但為了講解演示方便，采用了較大的電路板尺寸：100mm〔寬〕×40mm〔高〕。規(guī)劃電路板的二種方法確定電路板的尺寸大小后，就可新建PCB文件，并規(guī)劃電路板了，規(guī)劃電路板有二種方法：一種方法采用PCB板向?qū)б?guī)劃，此方法快捷，易于操作，是一種較為常用的方法。另一種為新建PCB文件后，在機(jī)械層手工繪制電路板邊框，在禁止布線層手工繪制布線區(qū)，標(biāo)注尺寸，該方法比較復(fù)雜，但靈活性較大，可以繪制較為特殊的電路板。本電路板采用較為簡單的第一種方法。1.選擇PCB板向?qū)螕簟綟ile】標(biāo)簽，將出現(xiàn)如下圖的文件面板，選擇【PCBBoardWizards…】PCB板向?qū)?，彈出圖所示的PCB板向?qū)g送界面。彈出如下圖的PCB板向?qū)g送界面2.尺寸單位選擇尺寸單位選擇對話框，有英制〔mil〕和公制〔mm〕二種選擇，讀者可以根據(jù)興趣選擇尺寸類型，本例選擇英制單位mil。PCB板類型選擇PCB板用戶自定義

信號層、內(nèi)電源層選擇

其中【信號層】默認(rèn)為2層，可以不必修改，而【內(nèi)部電源層】內(nèi)電層默認(rèn)為2層，由于本例電路較簡單，不必使用內(nèi)電源層，將其修改為0。過孔類型選擇

選擇【只顯示通孔】〔默認(rèn)項(xiàng)〕，因?yàn)闆]有內(nèi)電源/接地層，所以不使用盲孔形式。元件類型選擇

在大局部元件【此電路板主要是】類型項(xiàng)選擇【通孔元件】類型，因?yàn)槿朔€(wěn)壓電源中使用的元件全部為穿插式封裝；相鄰焊盤間的導(dǎo)線數(shù)項(xiàng)選【一條導(dǎo)線】，因?yàn)樵摪宀季€密度并不高。導(dǎo)線、過孔、平安間距設(shè)置PCB板向?qū)ЫY(jié)束

PCB板向?qū)е谱魍瓿傻碾娐钒?/p>

§7.4載入元件封裝與網(wǎng)絡(luò)

DXP2004實(shí)現(xiàn)了真正的雙向同步設(shè)計(jì)，元件封裝和網(wǎng)絡(luò)信息即可通過在原理圖編輯器中更新PCB文件來實(shí)現(xiàn)，也可通過在PCB編輯器中導(dǎo)入原理圖的變化來實(shí)現(xiàn)。下面介紹第一種方法，即在原理圖編輯器中如何利用系統(tǒng)提供的同步功能更新PCB編輯器的封裝和網(wǎng)絡(luò)：同步功能更新PCB編輯器的封裝和網(wǎng)絡(luò)

1．翻開由向?qū)陆ǖ腜CB文件，如下圖，執(zhí)行【設(shè)計(jì)】/【ImportChangesFrom*.PcbDoc】菜單命令。更新PCB文件對話框

校驗(yàn)更新在如下圖的更新PCB文件對話框中，點(diǎn)擊【執(zhí)行變化】按鈕，操作過程中將在【狀態(tài)】狀態(tài)欄中的【檢查】檢查列中顯示各操作是否能正確執(zhí)行，其中正確標(biāo)志為綠色的“√〞，錯誤標(biāo)志為紅色的“×〞，如下圖。執(zhí)行更新載入各封裝元件和網(wǎng)絡(luò)連接

點(diǎn)擊【執(zhí)行變化】按鈕，軟件將自動轉(zhuǎn)到翻開向?qū)陆ǖ腜CB文件，將各封裝元件和網(wǎng)絡(luò)連接載入PCB文件中。

裝入電路板的PCB封裝元件

§7.5元件布局

元件布局有二種方法，一種為自動布局，該方法利用PCB編輯器的自動布局功能，按照一定的規(guī)那么自動將元件分布于電路板框內(nèi)，該方法簡單方便，但由于其智能化程度不高，不可能考慮到具體電路在電氣特性方面的不同要求，所以很難滿足實(shí)際要求；另一種為手工布局，設(shè)計(jì)者根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)、具體設(shè)計(jì)要求對PCB元件進(jìn)行布局，該方法取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和豐富的電子技術(shù)知識，可以充分考慮電氣特性方面的要求，但需花費(fèi)較多的時(shí)間。一般情況下我們可以采用二者結(jié)合的方法，先自動布局，形成一個(gè)大概的布局輪廓，然后根據(jù)實(shí)際需要再進(jìn)行手工調(diào)整。7.5.1自動布局執(zhí)行【工具】/【放置元件】/【自動布局…】菜單命令，如下圖。選擇布局方式

選擇【分組布局】群組方式布局元件，點(diǎn)擊【確認(rèn)】按鈕，啟動自動布局過程，自動布局完成后的布局結(jié)果如下圖，可以看到自動布局的結(jié)果很不理想，必須進(jìn)行手工調(diào)整。自動布局結(jié)果手工調(diào)整元件布局

根據(jù)原理圖和電子線路方面的知識可以進(jìn)一步對自動布局結(jié)果進(jìn)行手工調(diào)整，手工布局時(shí)一般優(yōu)先考慮電路中的核心元件和體積較大的元件，如本例中可先確定三端穩(wěn)壓塊VR1和電解電容C1、C4的位置。手工布局過程中注意各元件不要重疊，功率較大元件的位置不能靠的太近，盡量使飛線不要交叉，飛線長度較短；電路板中元件盡量均勻分布，不要全部擠到一角或一邊；以及便于和原理圖對照分析，便于安裝、維修、調(diào)試等電氣方面的要求。對三端穩(wěn)壓電源進(jìn)行手工布局調(diào)整，布局結(jié)果如下圖。

手工調(diào)整后的布局結(jié)果

飛線§7.6設(shè)置自動布線規(guī)那么布線也有二種方式：自動布線和手工布線，與自動布局和手工布局一樣，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，自動布線方便快捷，但不一定滿足電氣特性方面的要求。手工布線要求布線者具有較豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，且工作量較大，耗時(shí)較多。所以一般也采用二者結(jié)合的方法，先進(jìn)行自動布線，然后手工修改不合理的導(dǎo)線，甚至可以采用先預(yù)布一定導(dǎo)線鎖定后，再采取自動布線與手工調(diào)整相結(jié)合的方法。設(shè)置自動布線規(guī)那么如果要采用自動布線，必須首先設(shè)置好布線規(guī)那么，然后PCB編輯器才能按照預(yù)設(shè)的布線規(guī)那么自動地完成導(dǎo)線的繪制，具體步驟如下：1． 選擇PCB編輯器測量單位。如果要采用自動布線，必須首先設(shè)置好布線規(guī)那么，然后PCB編輯器才能按照預(yù)設(shè)的布線規(guī)那么自動地完成導(dǎo)線的繪制，具體步驟如下：按【Q】鍵轉(zhuǎn)換PCB編輯器測量單位PCB設(shè)計(jì)規(guī)那么設(shè)置菜單執(zhí)行【設(shè)計(jì)】/【規(guī)那么…】規(guī)那么菜單命令，出現(xiàn)如下圖PCB設(shè)計(jì)規(guī)那么設(shè)置對話框。PCB設(shè)計(jì)規(guī)那么設(shè)置對話框PCB設(shè)計(jì)規(guī)那么設(shè)置并非所有的布線規(guī)那么都需要重新設(shè)置，在一般電路板中，只需依據(jù)實(shí)際情況或設(shè)計(jì)要求對主要的布線規(guī)那么進(jìn)行設(shè)置，而其它規(guī)那么可以采用默認(rèn)參數(shù)，一般主要的布線規(guī)那么有布線層面選擇和導(dǎo)線寬度設(shè)置。本章的主要目的是使讀者理解電路板的制作過程和步驟，所以本節(jié)暫時(shí)只介紹幾項(xiàng)主要的布線規(guī)那么設(shè)置方法，其它的布線規(guī)那么采用默認(rèn)值即可。設(shè)置導(dǎo)線寬度規(guī)那么Width在電路板中，導(dǎo)線寬度關(guān)系到電路板的可靠性和布線難度，導(dǎo)線寬度太窄，一方面銅箔導(dǎo)線在焊接以及長期的使用過程中容易脫落、斷裂，特別對于高壓、大電流的導(dǎo)線，如電源、接地線太窄，可能造成銅箔導(dǎo)線電流過大而燒毀電路板等后果，嚴(yán)重時(shí)可能引起火災(zāi)；另一方面導(dǎo)線太窄也造成電路板廠家制作困難，本錢提高；但導(dǎo)線寬度也不是越寬越好，導(dǎo)線越寬，自動布線時(shí)走線越困難，布通率越低，因此在自動布線前，必須根據(jù)實(shí)際情況和具體設(shè)計(jì)要求合理設(shè)置自動布線時(shí)的導(dǎo)線寬度。為了滿足不同網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)線寬度的不同要求，同時(shí)不使電路板面積過大，我們可以采取同時(shí)設(shè)置幾個(gè)導(dǎo)線寬度規(guī)那么的方法：一般先設(shè)置一個(gè)整體電路板導(dǎo)線寬度的普通規(guī)那么，然后根據(jù)實(shí)際情況對于大電流的個(gè)別網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)線分別設(shè)置較大的導(dǎo)線寬度。1.設(shè)置整體電路板導(dǎo)線規(guī)那么【第一個(gè)匹配對象位置】選項(xiàng)默認(rèn)【全部對象】。即對所有導(dǎo)線有效。導(dǎo)線寬度默認(rèn)值為0.3mm，如果適宜，可以不必修改。本例三端穩(wěn)壓電源中電路板面積較大，元件較少，導(dǎo)線寬度可以設(shè)置較寬。具體參數(shù)設(shè)置如下：【MaxWidth】最大寬度：40mil【PreferredWidth】最優(yōu)寬度：30mil【MinWidth】最小寬度：10mil設(shè)置一般導(dǎo)線寬度

2．特殊網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)線寬度設(shè)置

一般對于大電流網(wǎng)絡(luò)我們必須單獨(dú)設(shè)置導(dǎo)線寬度規(guī)那么，如電源、接地網(wǎng)絡(luò)等，本例中設(shè)地線GND和電源+5V導(dǎo)線寬度為60mil〔最大80mil,最小50mil〕，操作方法如下：在如下圖的導(dǎo)線寬度設(shè)置對話框中，選中【W(wǎng)idth】規(guī)那么項(xiàng)，單擊鼠標(biāo)右鍵，將彈出如下圖的浮動菜單。選中【新建規(guī)那么】菜單，將在原【W(wǎng)idth】規(guī)那么項(xiàng)上增加一個(gè)【W(wǎng)idth_1】新導(dǎo)線寬度規(guī)那么設(shè)置項(xiàng)，如下圖。設(shè)置布線層面規(guī)那么RoutingLayers該規(guī)那么用于設(shè)置電路板布線的信號層以及各信號層布線的方向，即通過該規(guī)那么可以決定電路板的種類——雙面板或單面板，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置為雙面板，即信號層為頂層和底層，其中頂層布線方向默認(rèn)為水平方向，底層布線方向默認(rèn)為垂直方向。在自動布線規(guī)那么設(shè)置對話框中，雙擊【RoutingLayers】布線層面選項(xiàng)，將彈出如下圖的布線層面設(shè)置對話框布線層面設(shè)置對話框

布線層面設(shè)置對話框各參數(shù)【第一個(gè)匹配對象位置】：該參數(shù)可確定該規(guī)那么的適用范圍，【全部對象】、【網(wǎng)絡(luò)】等，對于布線層面選擇規(guī)那么，該項(xiàng)選【全部對象】?！居行У膶印浚河小綯opLayer】頂層和【BottomLayer】底層二個(gè)信號層可供選擇。勾選后面的復(fù)選框表示選擇該層面。默認(rèn)情況下為全部處于勾選狀態(tài)，表示制作雙面板。本例中由于元件較少，電路板面積較大，為降低本錢，所以設(shè)置為單面板，因此將【TopLayer】頂層勾選狀態(tài)去掉，如下圖。完成各項(xiàng)規(guī)那么的設(shè)置后，點(diǎn)擊【確認(rèn)】按鈕，關(guān)閉設(shè)計(jì)規(guī)那么設(shè)置對話框?！?.7自動布線和3D效果圖

如右圖所示，執(zhí)行【自動布線】/【全部對象】菜單命令。2.彈出如下圖的自動布線策略選擇對話框，一般采用默認(rèn)第二項(xiàng)參數(shù)即可。自動布線信息報(bào)告

在圖所示的自動布線策略設(shè)置對話框中，點(diǎn)擊【RouteAll】布所有導(dǎo)線按鈕，將啟動自動布線過程，本例中元件較少，布線速度很快，自動布線過程中彈出如下圖的自動布線信息報(bào)告欄。三端穩(wěn)壓電源自動布線結(jié)果

5.觀看電路板3D效果圖。

執(zhí)行菜單命令【查看】/【顯示三維PCB板】菜單命令，可以觀看到電路板的立體效果圖，如下頁圖所示，當(dāng)然它只是一種模擬的三維電路板圖，并不能完全等同于實(shí)際電路板和實(shí)際元件，但通過該圖我們可以從立體三維空間的角度較為直觀的觀察到電路板的一些有用信息，如元件布局上是否有元件重疊，是否有元件之間距離太近等。

(a)靜態(tài)時(shí)看不到布線效果

(b)轉(zhuǎn)變觀察角度按住鼠標(biāo)左鍵，移動鼠標(biāo)上機(jī)實(shí)訓(xùn)

制作單管放大電路PCB板

1.上機(jī)任務(wù)制作如下圖的單管放大電路PCB板，要求制作單面板，PCB板尺寸為60mm(2380mil)×40mm(1580mil)。2.任務(wù)分析

該P(yáng)CB板元件不多，三極管Q1為直插式塑封三極