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求 直流稳压电源电路设计的 毕业论文电路设计的设计流程

2021-10-11 本站作者 【 字体:

直流稳压电源是常用的电子设备,它能保证在电网电压波动或负载发生变化时,输出稳定的电压。一个低纹波、高精度的稳压源在仪器仪表、工业控制及测量领域中有着重要的实际应用价值。本设计给出的稳压电源的输出电压范围为0~18 V,额定工作电流为0.5 A,并具有"+"、"-"步进电压调节功能,其最小步进为0.05 V,纹波不大于10 mV,此外,还可用LCD液晶显示器显示其输出电压值。
1系统硬件设计
一般PCB基本设计流程如下:前期准备--PCB结构设计--PCB布局--布线--布线优化和丝印--网络和DRC检查和结构检查--制版。
第一:前期准备。这包括准备元件库和原理图。“工欲善其事,必先利其器”,要做出一块好的板子,除了要设计好原理之外,还要画得好。在进行PCB设计之前,首先要准备好原理图SCH的元件库和PCB的元件库。元件库可以用peotel自带的库,但一般情况下很难找到合适的,最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做PCB的元件库,再做SCH的元件库。PCB的元件库要求较高,它直接影响板子的安装;SCH的元件库要求相对比较松,只要注意定义好管脚属性和与PCB元件的对应关系就行。PS:注意标准库中的隐藏管脚。之后就是原理图的设计,做好后就准备开始做PCB设计了。
  本系统由电源模块、调压模块、D/A转换模块、显示与键盘模块组成,图1所示是该直流数控稳压电源的结构原理框图。
第二:PCB结构设计。这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位,在PCB设计环境下绘制PCB板面,并按定位要求放置所需的接插件、按键/开关、螺丝孔、装配孔等等。并充分考虑和确定布线区域和非布线区域(如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域)。
1.1系统电源模块
第三:PCB布局。布局说白了就是在板子上放器件。这时如果前面讲到的准备工作都做好的话,就可以在原理图上生成网络表(Design--CreateNetlist),之后在PCB图上导入网络表(Design--LoadNets)。就看见器件哗啦啦的全堆上去了,各管脚之间还有飞线提示连接。然后就可以对器件布局了。一般布局按如下原则进行:
  在图1中,220 V市电经220 V/17.5 V变压器降压后得到的双17.5 V交流电压,经过一个全桥整流后可得到±21 V两路电压,其中一路+21 V电压供给调整管,作为电源对外输出,另一路经三端稳压器7815得到+15 V,再经过7805得到+5 V的电压。-21 V的电压则经三端稳压器MC7915得到-15 V电压,以作为系统本身的工作电源。
1.2电压调整模块
  该稳压电源中的电压调整模块电路如图2所示。其中调整管采用复合管形式(由Q1、Q3组成),以实现大电流输出,由于该设计要求Iomax=0.5 A,Iomin=0 A,Pm=(Vimax-Vomin)Iomax=(18-0)×0.5=9 W,因此,本电路中的调整管可选TIP41(其Icmax=6 A>Iomax=0.5 A;Pcw=65 W>9 W,VCEOmax=100 V>18 V),当然,也可以选用2N5832。
  电路的比较放大采用运放NE5534来设计,该器件具有共模抑制比高,响应速度快和压摆率高的特点。设计时可由R10、R11A、R12组成分压取样电路,并要求R10/(R11A+R12)=1/4,即当输出电压存在△UO=0.05 V时,△Ua=0.04 V,这与DAC的输出(10/255=0.04V=1LSB)变化一致。事实上,经过DAC转换以将电流转换为电压并进行电压放大后,即可将得到的10 V电压送比较器NE54534的同相端作为比较的基准电压。由于DAC0832是8位的D/A转换器,故有255步进。由此,当CPU控制DAC变化1LSB时,其对应Va的变化为0.04 V,故Uout的可调变化量为0.05 V(步长)。NE5534和Q1、Q3及取样电路构成的负反馈电路可实现调节输出电压的目的(稳压)。
①.按电气性能合理分区,一般分为:数字电路区(即怕干扰、又产生干扰)、模拟电路区
  电路中的过流保护由R9与02完成。当Io>0.7A时,VR9=R9Io≥1×0.7=0.7 V,此时Q2导通,并对调整管Q3的基极分流,使TIP41的导通电阻增大,输出电压降低,从而达到过流保护的目的。必要时,也可接入一红色发光二极管作为过流指示。该系统的短路保护采用保险管来完成。
1.3 D/A转换模块
(怕干扰)、功率驱动区(干扰源);
  本系统中的数模转换电路如图3所示。它由DAC0832、两级低漂移的运放μA714及VREF电路组成。DAC0832和运放U3A将CPU发出的8位二进制数据转换成0~-5 V的电压,然后经运放U3B反向放大2倍,以得到0~10 V电压。因此,该DAC的转换分辨率为10/(28-1)=0.04 V,即CPU输出给DAC的数据变化为1 Bit,DAC输出电压的变化为0.04 V。VREF电路为DAC提供基准电压,调节R5A,可使基准电压保持为5 V。
②.完成同一功能的电路,应尽量靠近放置,并调整各元器件以保证连线最为简洁;同时,调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁;
③.对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度;发热元件应与温度敏感元件分开放置,必要时还应考虑热对流措施;
1.4显示与键盘模块
④.I/O驱动器件尽量靠近印刷板的边、靠近引出接插件;
⑤.时钟产生器(如:晶振或钟振)要尽量靠近用到该时钟的器件;
  本电源中的电压显示与键盘电路如图4所示。当输出电压经R13限流和R14取样后,即可送如TLC2453-1进行模数转换。图4中的TLC2453-1为11通道、12位串行A/D转换器,具有12位分辨率,转换时间为10μs,有11个模拟输入通道,3路内置自测试方式,采样率为66 kbps,线性误差±1LSBmax,同时带有转换结果输出EOC,并可单、双极性输出。通过其可编程的MSB或LSB前导可编程输出数据长度。TLC2453-1的时钟频率选用4.1 MHz,电源输出电压Uo的取样信号从IN0输入,芯片的I/O时钟端、数据输入端、转换数据输出端、片选端分别与AT89S51单片机的P2.3、P2.2、P2.1、P2.0相连,然后经单片机处理后从P0口输出,在经排阻9A472J驱动后送字符型液晶显示屏SMC1602A显示输出电压。电路中AT89S51单片机的晶振频率选用12 MHz,P1.0~P1.3接调压按钮。增加电压时,粗调用按键S1,步进为1 V,细调用S2,步长为0.05 V;减小电压时,粗调用S3,步长为1 V,细调用S4,步调为0.05 V。这样,经过它们的有机结合便可将输出电压调节到所需的电压。⑥.在每个集成电路的电源输入脚和地之间,需加一个去耦电容(一般采用高频性能好的独石电容);电路板空间较密时,也可在几个集成电路周围加一个钽电容。
⑦.继电器线圈处要加放电二极管(1N4148即可);
⑧.布局要求要均衡,疏密有序,不能头重脚轻或一头沉
——需要特别注意,在放置元器件时,一定要考虑元器件的实际尺寸大小(所占面积和高度)、元器件之间的相对位置,以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性同时,应该在保证上面原则能够体现的
前提下,适当修改器件的摆放,使之整齐美观,如同样的器件要摆放整齐、方向一致,不能摆得“错落有致”。这个步骤关系到板子整体形象和下一步布线的难易程度,所以一点要花大力气去考虑。布局时,对不太肯定的地方可以先作初步布线,充分考虑。
第四:布线。布线是整个PCB设计中最重要的工序。这将直接影响着PCB板的性能好坏。在PCB的设计过程中,布线一般有这么三种境界的划分:首先是布通,这时PCB设计时的最基本的要求。如果线路都没布通,搞得到处是飞线,那将是一块不合格的板子,可以说还没入门。其次是电器性能的满足。这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准。这是在布通之后,认真调整布线,使其能达到最佳的电器性能。接着是美观。假如你的布线布通了,也没有什么影响电器性能的地方,但是一眼看过去杂乱无章的,加上五彩缤纷、花花绿绿的,那就算你的电器性能怎么好,在别人眼里还是垃圾一块。这样给测试和维修带来极大的不便。布线要整齐划一,不能纵横交错毫无章法。这些都要在保证电器性能和满足其他个别要求的情况下实现,否则就是舍本逐末了。布线时主要按以下原则进行:
①.一般情况下,首先应对电源线和地线进行布线,以保证电路板的电气性能。在条件允许的范围内,尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:地线>电源线>信号线,通常信号线宽为:0.2~0.3mm,最细宽度可达0.05~0.07mm,电源线一般为1.2~2.5mm。对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路,即构成一个地网来使用(模拟电路的地则不能这样使用)
②.预先对要求比较严格的线(如高频线)进行布线,输入端与输出端的边线应避免相邻平行,以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离,两相邻层的布线要互相垂直,平行容易产生寄生耦合。
③.振荡器外壳接地,时钟线要尽量短,且不能引得到处都是。时钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积,而不应该走其它信号线,以使周围电场趋近于零;
④.尽可能采用45o的折线布线,不可使用90o折线,以减小高频信号的辐射;(要求高的线还要用双弧线)
⑤.任何信号线都不要形成环路,如不可避免,环路应尽量小;信号线的过孔要尽量少;
⑥.关键的线尽量短而粗,并在两边加上保护地。
⑦.通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时,要用“地线-信号-地线”的方式引出。
⑧.关键信号应预留测试点,以方便生产和维修检测用
⑨.原理图布线完成后,应对布线进行优化;同时,经初步网络检查和DRC检查无误后,对未布线区域进行地线填充,用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板,电源,地线各占用一层。
——PCB布线工艺要求
①.线
一般情况下,信号线宽为0.3mm(12mil),电源线宽为0.77mm(30mil)或1.27mm(50mil);线与
线之间和线与焊盘之间的距离大于等于0.33mm(13mil),实际应用中,条件允许时应考虑加大距离;布线密度较高时,可考虑(但不建议)采用IC脚间走两根线,线的宽度为0.254mm(10mil),线间距不小于0.254mm(10mil)。
特殊情况下,当器件管脚较密,宽度较窄时,可按适当减小线宽和线间距。
②.焊盘(PAD)
焊盘(PAD)与过渡孔(VIA)的基本要求是:盘的直径比孔的直径要大于0.6mm;例如,通用插脚式电阻、电容和集成电路等,采用盘/孔尺寸1.6mm/0.8mm(63mil/32mil),插座、插针和二极管1N4007等,采用1.8mm/1.0mm(71mil/39mil)。实际应用中,应根据实际元件的尺寸来定,有条件时,可适当加大焊盘尺寸;PCB板上设计的元件安装孔径应比元件管脚的实际尺寸大0.2~0.4mm左右。
③.过孔(VIA)
一般为1.27mm/0.7mm(50mil/28mil);
当布线密度较高时,过孔尺寸可适当减小,但不宜过小,可考虑采用1.0mm/0.6mm(40mil/24mil)。
④.焊盘、线、过孔的间距要求
PADandVIA:≥0.3mm(12mil)
PADandPAD:≥0.3mm(12mil)
PADandTRACK:≥0.3mm(12mil)
TRACKandTRACK:≥0.3mm(12mil)
密度较高时:
PADandVIA:≥0.254mm(10mil)
PADandPAD:≥0.254mm(10mil)
PADandTRACK:≥0.254mm(10mil)
TRACKandTRACK:≥0.254mm(10mil)
第五:布线优化和丝印。“没有最好的,只有更好的”!不管你怎么挖空心思的去设计,等你画完之后,再去看一看,还是会觉得很多地方可以修改的。一般设计的经验是:优化布线的时间是初次布线的时间的两倍。感觉没什么地方需要修改之后,就可以铺铜了(Place->polygonPlane)。铺铜一般铺地线(注意模拟地和数字地的分离),多层板时还可能需要铺电源。时对于丝印,要注意不能被器件挡住或被过孔和焊盘去掉。同时,设计时正视元件面,底层的字应做镜像处理,以免混淆层面。
第六:网络和DRC检查和结构检查。首先,在确定电路原理图设计无误的前提下,将所生成的PCB网络文件与原理图网络文件进行物理连接关系的网络检查(NETCHECK),并根据输出文件结果及时对设计进行修正,以保证布线连接关系的正确性;网络检查正确通过后,对PCB设计进行DRC检查,并根据输出文件结果及时对设计进行修正,以保证PCB布线的电气性能。最后需进一步对PCB的机械安装结构进行检查和确认。
第七:制版。在此之前,最好还要有一个审核的过程。
PCB设计是一个考心思的工作,谁的心思密,经验高,设计出来的板子就好。所以设计时要极其细心,充分考虑各方面的因数(比如说便于维修和检查这一项很多人就不去考虑),精益求精,就一定能设计出一个好板子。
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