PCB設(shè)計技術(shù) 課件 3 功率放大電路

PCB設(shè)計技術(shù)課程項目2:功率放大電路PCBDesign深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院曾啟明鈍學(xué)累功，將勤補拙鈍學(xué)累功一詞出自北齊顏之推的《顏氏家訓(xùn)·文章》：“鈍學(xué)累功，不妨精熟”，意思是即使不聰明的人只要刻苦學(xué)習(xí)，也能取得成就。PCB設(shè)計的學(xué)習(xí)亦是如此，并不需要天資聰穎，智力超群，反而更需要的是耐心和堅持。本章的重點在于熟練設(shè)計流程和鞏固基本知識設(shè)計準備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計物理封裝設(shè)計后續(xù)處理步驟0步驟1步驟2步驟3步驟4步驟5步驟6步驟7上一章通過一個非常簡單的項目實現(xiàn)了PCB設(shè)計的基本流程本章將按照相同的流程，完成一個難度有所提高的功率放大電路不再贅述電路結(jié)構(gòu)與原理功率放大電路的結(jié)構(gòu)功率放大電路是一種以輸出大功率為目的，將小信號放大，直接驅(qū)動負載的電路。功率放大電路通常作為多級放大電路的輸出級，例如驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。01.電路結(jié)構(gòu)與原理功放芯片電源信號輸入信號輸出功率放大電路的連接示意圖01.電路結(jié)構(gòu)與原理12348765TDA7052VCCIN+GNDVCOUT-NCGNDOUT+++邏輯封裝設(shè)計設(shè)計準備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計物理封裝設(shè)計后續(xù)處理步驟0步驟1步驟2步驟3步驟4步驟5步驟6步驟702.邏輯封裝設(shè)計2.1電容的邏輯封裝設(shè)計02.邏輯封裝設(shè)計電容是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的基本元件，本項目使用了電解電容和瓷片電容兩種類型，其中電解電容屬于極性元件，區(qū)分正負極，瓷片電容屬于非極性電容，不區(qū)分正負極。極性電容非極性電容可調(diào)電容2.2電位器的邏輯封裝設(shè)計02.邏輯封裝設(shè)計需要注意，從現(xiàn)有庫中調(diào)取的元件必須進行核對和修改，確保與元件的實際情況相符。電位器也稱為可調(diào)電阻，是一種可以改變阻值的電子元件。本項目采用了一個帶旋鈕的電位器，用來對輸入信號的強度進行調(diào)整。電位器的邏輯封裝一般可以在軟件自帶的元件庫中找到。132內(nèi)部電路132作為一個嚴謹?shù)腜CB工程師，對于現(xiàn)有的設(shè)計資料，都要保持一種“懷疑”的態(tài)度，逐一核對。2.3簡單芯片的邏輯封裝設(shè)計02.邏輯封裝設(shè)計芯片，學(xué)術(shù)名稱是集成電路（IntegratedCircuit,IC），是一個內(nèi)部包含了若干個電子元件，具有特定功能的微型電路元件。芯片邏輯封裝的設(shè)計必須嚴格按照芯片數(shù)據(jù)手冊（Datasheet）的相關(guān)定義引腳名稱引腳序號功能描述VP1電源供電IN+2信號輸入GND13信號地VC4直流控制OUT+5正相輸出GND26電源地NC7不連接OUT-8反相輸出VPIN+GND1VCOUT-NCGND2OUT+TDA7052芯片邏輯封裝的兩種設(shè)計方案02.邏輯封裝設(shè)計兩個封裝的外形稍有不同，但引腳的數(shù)目和序號是相同的。對于元件的邏輯封裝，引腳序號和引腳數(shù)是關(guān)鍵，影響到具體的電路連接，而外形與電氣連接屬性無關(guān)，更多的是一種元件的形象表達2.4單列排針的邏輯封裝設(shè)計02.邏輯封裝設(shè)計本項目使用常規(guī)的單列排針，作為電源、輸入和輸出三端的接頭。排針的引腳有2個，其邏輯封裝可以設(shè)計成多種樣式，確保引腳數(shù)目和序號正確即可原理圖繪制設(shè)計準備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計物理封裝設(shè)計后續(xù)處理步驟0步驟1步驟2步驟3步驟4步驟5步驟6步驟702.邏輯封裝設(shè)計功率放大電路的原理圖03.原理圖繪制電源符號放置文本3.1電源符號電源符號的本質(zhì)是一個帶網(wǎng)絡(luò)名的符號不管符號的外形怎樣，只要名稱一樣，都屬于同一個網(wǎng)絡(luò)如果名稱不同，即使外形一樣，都屬于不同的網(wǎng)絡(luò)03.原理圖繪制電源符號在項目中的使用03.原理圖繪制03.原理圖繪制3.2放置文本在原理圖中放置文本，是原理圖繪制過程中的常用操作，主要作為原理圖的閱讀提示。原理圖上的文本沒有電氣屬性，不會影響電路的連接關(guān)系物理封裝設(shè)計設(shè)計準備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計物理封裝設(shè)計后續(xù)處理步驟0步驟1步驟2步驟3步驟4步驟5步驟6步驟704.物理封裝設(shè)計4.1電解電容的選型和封裝設(shè)計04.物理封裝設(shè)計電容在電路中一般起到耦合、濾波、去耦、旁路等作用，其中電解電容是最常用的一類極性電容。電解電容的外形一般為圓柱體，根據(jù)電容值和耐壓值的不同，圓柱體大小也不同。電解電容的內(nèi)部具有儲存電荷的電解質(zhì)材料，分正、負兩極，不可反接。直插型貼片型負極負極根據(jù)電容值和工作電壓確定尺寸03.原理圖繪制04.物理封裝設(shè)計設(shè)計物理封裝主要需要確定3個參數(shù)：圓柱體直徑（DΦ）、兩個針腳的間距（F）和針腳的直徑（dΦ），這些需要根據(jù)電容值和工作電壓來確定04.物理封裝設(shè)計1204.物理封裝設(shè)計(0,0)坐標(1.25,0)坐標(-1.25,0)6.3mm12正極標記設(shè)計要點如下：引腳數(shù)量：2（對應(yīng)邏輯封裝，序號是1和2，其中1號為正極）焊盤類型：圓形焊盤，內(nèi)徑約等于d+0.5（0.5+0.5）；焊盤間距：2.5mm；元件外形：直徑為6.3mm的圓，并標示1腳為正極。4.2陶片電容的物理封裝設(shè)計04.物理封裝設(shè)計瓷片電容是是一種用陶瓷材料作為介質(zhì)，在陶瓷表面涂覆一層金屬薄膜，再經(jīng)高溫燒結(jié)而成的電容器。瓷片電容是電子電路常用的一類無極性電容，其封裝形式以直插型為主。瓷片電容的電容值和工作電壓值一般標示于電容的外體上，其中電容值采用科學(xué)計數(shù)法表示，單位默認是pF。例如，104表示10×104pF，轉(zhuǎn)換為常用單位是0.1μF或者100nF。根據(jù)電容值和工作電壓確定尺寸03.原理圖繪制04.物理封裝設(shè)計21304.物理封裝設(shè)計瓷片電容的物理封裝設(shè)計，與電解電容不同，瓷片電容的兩個引腳不區(qū)分正負極，只要確定焊盤序號和邏輯封裝對應(yīng)，圓形焊盤的孔徑和間距正確即可物理封裝原理圖封裝1212(0,0)(1.25,0)稍大于或等于D4.3電位器的物理封裝設(shè)計04.物理封裝設(shè)計在阻值的調(diào)整上，部分電位器需要借助螺絲刀等工具；部分電位器自帶調(diào)節(jié)旋鈕，方便手持操作。本項目使用左起第二個電位器作為輸入信號強度的調(diào)整元件04.物理封裝設(shè)計13213245(0,0)(4.35,0)(2.5,-6.25)直徑=9.0mm4.4TDA7052芯片的物理封裝設(shè)計04.物理封裝設(shè)計DIP：DualIn-linePackage雙列直插封裝SOP：SmallOut-LinePackage小外形封裝QFP：QuadFlatPackage方型扁平式封裝BGA：BallGridArray球狀柵格陣列封裝芯片作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)備的核心元件，其封裝形式多樣，在直插型和貼片型兩個大類別下，還有多種的物理封裝形式，一些常用的封裝形式如下：04.物理封裝設(shè)計功率放大電路的TDA7052芯片使用SOP封裝，引腳數(shù)為8，一般簡稱為SO8封裝。設(shè)計物理封裝所需要的關(guān)鍵參數(shù)包括：引腳寬度（bp）引腳接觸面長度（Lp）引腳間距（e）兩列引腳的末端距（HE）芯片實體長寬（D、E）04.物理封裝設(shè)計芯片引腳寬度bp的范圍是0.36~0.49mm，取最大值0.49mm作為焊盤的寬度；芯片引腳接觸面長度Lp的范圍是0.4~1.0mm，取最大值1.0mm，并取其2倍作為焊盤的長度，即2.0mmbp2xLp1．確定焊盤尺寸04.物理封裝設(shè)計以芯片的中心為原點，計算1號焊盤的X坐標應(yīng)為-3e/2，e是芯片引腳的間距。1號焊盤的Y坐標由芯片兩列引腳的末端距計算，末端距作為兩列焊盤的中心距，因此1號焊盤的Y坐標值為-HE/2，其中HE取其范圍5.8~6.2mm的平均值，即6.0mm2．計算焊盤位置坐標1(-3e/2,

-HE/2)458HE3eebpHE04.物理封裝設(shè)計芯片主體的長度D取其范圍4.8~5.0mm的最大值，即5.0mm；芯片主體的寬度E取其范圍3.8~4.0mm的最大值，即4.0mm。綜上，繪制一個5.0mm×4.0mm的矩形作為元件的絲印外框。該封裝是一個對稱的形式，一般做法是在1號焊盤旁邊添加標識。3．繪制絲印外框ED1ED1號焊盤標識4.5單列排針的物理封裝設(shè)計04.物理封裝設(shè)計排針是電子電路中常用的一類低成本連接元件，主要分單列排針和雙列排針兩種，而連接方式主要分為直插和90度彎折兩種。常用的排針有2.54mm和2.0mm間距兩種04.物理封裝設(shè)計(0,0)2.542.55.08網(wǎng)表處理設(shè)計準備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計物理封裝設(shè)計后續(xù)處理步驟0步驟1步驟2步驟3步驟4步驟5步驟6步驟705.網(wǎng)表處理寫入物理封裝信息的理解物理封裝信息是將原理圖與元件實物聯(lián)系起來的關(guān)鍵，其本質(zhì)是指物理封裝在庫中保存的“名稱”，相當于調(diào)用的索引05.網(wǎng)表處理物理封裝庫SO8元件屬性屬性值…………物理封裝SO8…………PCB布局設(shè)計準備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計物理封裝設(shè)計后續(xù)處理步驟0步驟1步驟2步驟3步驟4步驟5步驟6步驟706.PCB布局6.1板框的概念06.PCB布局板框是指PCB具體的外形輪廓。在實際PCB設(shè)計中，板框的形狀一般由結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)產(chǎn)品的外殼、端口位置等因素確定。PCB工程師與結(jié)構(gòu)工程師交互，得到板框的設(shè)計要求6.2PCB布局的基本思路06.PCB布局布局是將元件擺放至板框內(nèi)適合位置的過程。布局需要綜合考慮信號質(zhì)量、電磁兼容性、可制造性、結(jié)構(gòu)、安全規(guī)范等方面的因素，其基本思路如下：首先考慮明確PCB的尺寸。其次考慮有結(jié)構(gòu)要求的元件和區(qū)域，例如是否限高，限寬、打孔、開槽區(qū)域等。然后根據(jù)信號的流向和核心元件，進行模塊布局。功率放大電路的PCB布局方案06.PCB布局功率放大電路比較簡單，并沒有結(jié)構(gòu)和特殊元件的要求，因此可以首先根據(jù)元件的數(shù)量大體估算PCB的尺寸大小。其次，元件的總體布局一般按照信號的流向進行規(guī)劃。電路可以劃分四個主要模塊：芯片、電源、輸入、輸出電源輸入輸出芯片確定整體布局后，需要將各功能模塊電路的元件，按照信號的流向和盡量減小連線長度的原則進行放置。例如，電源模塊05.網(wǎng)表處理J1C1C2功率放大電路的參考布局06.PCB布局J1J2J3C1C2C3VR1U16.3鼠線隱藏06.PCB布局鼠線移動中的元件鼠線是指示焊盤之間表示連接關(guān)系的輔助線。對于復(fù)雜的PCB，凌亂的鼠線反而會干擾視線，在布局過程中一般會選擇隱藏這些鼠線。一些完善的PCB設(shè)計軟件在當選中某一個元件進行移動時，將會動態(tài)顯示相關(guān)的鼠線。6.4網(wǎng)絡(luò)的高亮顯示06.PCB布局網(wǎng)絡(luò)是指在PCB中同一個連接關(guān)系焊盤的組合。一些特殊網(wǎng)絡(luò)，例如電源網(wǎng)絡(luò)和地網(wǎng)絡(luò)，一般具有多個連接點，通過顏色設(shè)置，在布局時將這些網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的焊盤進行“高亮”顯示，能夠讓PCB工程師快速、清晰的了解該網(wǎng)絡(luò)的分布，提高效率。地網(wǎng)絡(luò)PCB布線設(shè)計準備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計物理封裝設(shè)計后續(xù)處理步驟0步驟1步驟2步驟3步驟4步驟5步驟6步驟707.PCB布線7.1普通信號線和電源線07.PCB布線元件1元件2×ABCDEFGH135度對于普通信號線，基本的布線原則如下：普通信號線要盡量短而直。不使用銳角或直角走線，以盡量減少由于線寬變化導(dǎo)致的阻抗突變。電源線是PCB非常重要的線類型。在布線空間允許的情況下，電源線要盡量寬和短，一是提高載流能力，二是以減小線路的電阻，進而降低電壓在線路上的損耗。功率放大電路的布線（除GND外）07.PCB布線W=50milW=20mil135度7.2走線孔07.PCB布線布線過程中，進行走線層切換時，需要用到“孔”走線孔02元件封裝的通孔焊盤元件孔01走線孔是在布線過程中，需要連接不同層之間的線路，臨時增加的一種金屬孔，一般為圓形。走線孔的原理示意圖07.PCB布線ABTopBottom側(cè)面示意圖AB外徑內(nèi)徑孔俯視示意圖內(nèi)徑≥6mil線在電路板不同層之間切換時，需要用到“孔”來過渡，因此走線孔一定是金屬化孔，內(nèi)壁鍍銅。上圖A點在PCB的頂層（Top），B點在底層（Bottom），A點到B點的走線，必須通過一個內(nèi)壁鍍銅的孔來完成連接。走線孔一般稱為“過孔（Via）”走線孔的參數(shù)設(shè)置07.PCB布線走線孔主要包括內(nèi)徑和外徑兩個參數(shù)：內(nèi)徑的大小一般由工程師根據(jù)經(jīng)驗，結(jié)合線寬、布線空間等因素進行設(shè)定。需要注意的是，內(nèi)徑的值不能過小，按照目前的制造工藝，一般不小于6mil。走線孔的焊環(huán)有要求，不能小于4mil，因此要求外徑必須大于內(nèi)徑+8mil。內(nèi)徑>6mil外徑>內(nèi)徑+8mil焊環(huán)>4mil功率放大電路的走線孔07.PCB布線本項目的PCB設(shè)計中使用了一個走線孔，用于TDA7052芯片3、6號引腳與地網(wǎng)絡(luò)的連接。走線孔的內(nèi)徑為37mil，外徑為55mil頂層焊盤走線孔7.3簡單的鋪銅操作07.PCB布線元件焊盤走線孔在電氣連接上，只需要把這6個連接點連接在一起，就可以完成地網(wǎng)絡(luò)的布線。一種簡單的方式是使用金屬線把6個點連在一起，盡管這種方式能夠在電氣連接上滿足設(shè)計要求，但不是最優(yōu)的功率放大電路的GND網(wǎng)絡(luò)鋪銅07.PCB布線Bottom層GND網(wǎng)絡(luò)鋪銅區(qū)域地網(wǎng)絡(luò)鋪銅區(qū)域的兩種繪制方案07.PCB布線在電氣連接上，兩種方案均滿足設(shè)計要求，但在效果上是有區(qū)別的。左圖的鋪銅區(qū)域并沒有覆蓋整個PCB區(qū)域，PCB制造時右側(cè)將不會覆蓋銅，在結(jié)構(gòu)上造成PCB的不對稱鋪銅區(qū)域鋪銅區(qū)域鋪銅操作的優(yōu)點07.PCB布線相比連線方式，鋪銅具有以下優(yōu)點：提高連接的效率增加載流面積，提高載流能力減小地線阻抗，提高抗干擾能力降低壓降，提高電源效率與地線相連，減小環(huán)路面積后期處理08.后期處理布局布線完成后，PCB的設(shè)計并沒有完成，還需要完成一系列的后期處理工作，主要包括導(dǎo)出元件清單、規(guī)范元件標號和導(dǎo)出制造文件3個步