第7章三端稳压电源PCB板设计实例

电子CADProtel DXP 电路设计 任任 富富 民民 编编 著著中等职业学校教学用书中等职业学校教学用书（电子技术专业）电子技术专业）电子教案电子教案 第7章三端稳压电源PCB板设计实例 本章学习目标本章将通过制作常用的三端稳压电源PCB板，重点介绍电路板制作的基本过程，以达到以下学习目标：u掌握PCB元件引脚封装的更改方法。u掌握利用向导规划电路板的方法。u掌握引脚封装和网络的载入的方法。u掌握元件布局的方法。u理解主要布线规则的含义。掌握主要布线规则的设置方法，自动布线的操作方法。7.1 PCB板制作前期准备 7.1.1 绘制原理图绘制原理图7.1.2 确定合适的元件封装 确定元件封装虽然是在原理图绘制过程中完成，但对于PCB板的制作至关重要。PCB板中载入的PCB元件就是根据原理图中确定的引脚封装，从封装库中调出而形成的，因此原理图元件、原理图元件的连接关系和PCB的引脚封装、PCB板铜箔走线是一一对应的，只是二者的表达方式和侧重点不同而已，原理图采用“原理图符号”和清晰明了的连线来表达电路的工作原理和信号处理过程，重点在于表达电路的结构、功能，便于电路讲解和分析。PCB板通过“引脚封装”和实际铜箔导线来实现原理图的具体功能，重点在于元件的安装、焊接、调试等，所以在由原理图绘制逐步转入PCB板设计时，必须以原理图为依据，接合原理图综合考虑PCB元件的布局和布线。确定合适的元件封装 另外在确定元件引脚封装时，不能采取死记硬套的方法。如部分初学者，特别是临时参加考证的学生，死记硬背元件封装，遇到电阻，不管体积和功率大小都盲目地采用“AXIAL-0.4”，看到电解电容，不管大小，都采用“RB7.6-15”，这样势必导致制作的PCB板无法满足实际元件的装配需要。因此在确定引脚封装前，应对电路中的元件实物有充分的了解，必要时要采用卡尺进行实际测量，结合第六章中介绍的常用元件引脚封装合理选择。三端稳压电源中各元件的引脚封装 电阻：由于电源功率不大，限流电阻R1可采用1/4W的电阻，该系列电阻体积较小，可以采用编辑器默认的“AXIAL-0.4”封装。电容：电容C1、C4为滤波电解电容，体积较大，可以采用编辑器默认的“RB7.6-15”封装，而电容C2、C3为瓷片电容，体积较小，且为无极性电容，采用编辑器默认的“RAD-0.3”。三端稳压电源中各元件的引脚封装二极管：电路中D1D4为整流二极管，体积较小，原默认封装为表面贴装式（SMT）“DSO-C2/3.3”，该封装适合贴片二极管，但本例三端稳压电源板使用直插式二极管，所以将原封装更改为常用直插式二极管封装“DIODE-0.4”。发光二极管：电路中DS1为发光二极管，可以采用编辑器默认封装“LED-0”，如图所示。三端稳压电源中各元件的引脚封装电感：滤波电感L1原封装为表面贴装式“C1005-0402”，该封装适合表面贴装元件，而本电路板中使用直插式电感，一般电感外形和体积与电解电容相似，而电感L1原理图符号中的管脚序号也为1，2，与电解电容封装中的焊盘序号1，2完全对应，所以将原封装更改为常用的直插式电解电容封装“RB5-10.5”。三端稳压电源中各元件的引脚封装 接插件：电路中接插件JP1连接变压器，输入交流电压，接插件JP2连接负载输出稳定的直流5V电压，该元件属于常用接插件集成库Miscellaneous Connectors.IntLib，采用默认封装“HDR12H”，如图所示。三端稳压电源中各元件的引脚封装 三端稳压块：电路中三端稳压块型号为“CW7805”，该管为塑封外壳的中功率管，外形和管脚如图所示，编辑器默认的封装为“SIP-G3/Y2”，但该封装也是表面贴装形式，不符合实际使用的直插式三端稳压块，必须根据实际情况选择合适封装 1.观察三端稳压块原理图符号中管脚序号与极性的对应关系。打开原理图文件，双击三端稳压块VR1，弹出VR1的元件属性对话框，如图所示，选中其显示隐含管脚信息属性【Show Hidden Pins】复选框,点击【OK】按钮确认 观察三端稳压块原理图符号中管脚序号与极性的对应关系 可看到三端稳压块VR1管脚序号和管脚名称，如图所示，1、2、3脚极性依次为Vin、GND、Vout。查看三端稳压块VR1的默认的封装 查看集成库Miscellaneous Devices.IntLib中三端稳压块VR1的默认的封装“SIP-G3/Y3”，如图所示，由默认封装可知，虽然该封装的焊盘序号与原理图符号的管脚序号以及实际三端稳压块7805的管脚排列相吻合，但该封装是表面贴片形式，不符合实际元件的外形。3.确定VR1合适封装 浏览集成库Miscellaneous Devices.IntLib的封装形式，可以看到“SFM-T3”系列的封装比较符合三端稳压块VR1的要求，最后通过综合考虑选定封装“SFM-T3/X1.6V”，如图所示。选定该封装主要考虑该封装为穿插式，焊盘序号与原理图符号的引脚序号以及实际元件的管脚作用和序号完全一致，且焊盘间距和实际元件的管脚间距相符。7.1.3 更改元件引脚封装 1.打开元件属性对话框 打开原理图文件，双击三端稳压块VR1，打开VR1的元件属性对话框，如图所示，选中图中【Models List for VR1-Volt Reg】模型栏中的【Footprint】封装模型，然后单击【Add】添加按钮。打开VR1元件属性对话框 2.选择添加新模型类型。弹出如图,所示添加新模型类型选择对话框：【Model Type】：模型类型下拉列表框中选择【Footprint】：表示需要添加新封装模型3.浏览封装库 弹出如图所示添加封装对话框，点击【Browse】浏览按钮.浏览封装库 弹出封装库浏览对话框如图所示，在【Libraries】下拉列表框中选择“Miscellaneous Devices.IntLib”，浏览并选择合适三端稳压块VR1的封装“SFM-T3/X1.6V”。4.选定新封装 通过浏览可以看到封装“SFM-T3/X1.6V”符合三端稳压块VR1的管脚极性要求，点击【OK】按钮，回到图所示的添加封装对话框，可以看到对话框中已经添加了新的封装“SFM-T3/X1.6V”。5.返回属性设置对话框。返回如图所示的属性设置对话框，可以看到三端稳压块VR1的封装已经更改为“SFM-T3/X1.6V”，单击【OK】按钮完成设置。7.2 产生网络表 在Protel 的前期版本（如Protel 98）中，网络表是原理图和PCB板之间的联系纽带，正是通过网络表，PCB编辑器才能从封装库中调入和原理图元件相对应的PCB元件引脚封装，才知道各封装焊盘之间的相互连接关系（该连接关系就称为网络）。网络表的作用 而在Protel DXP中，并不一定要通过载入网络表才能调入PCB元件封装和网络，但读者可以通过网络表查看各元件编号、参数是否正确，封装是否合适，元件之间的网络连接关系是否正确等，下面介绍产生网络表的方法。产生网络表 执行【Design】设计/【Netlist】网络表/Protel 菜单命令，如图所示，将建立网络表“三端稳压.NET”。7.3 新建PCB文件并规划电路板 必须根据元件的多少、大小,以及电路板的外壳限制等因素确定电路板的尺寸大小，除用户特殊要求外，电路板尺寸应尽量满足电路板外形尺寸国家标准GB9316-88的规定（参见附录），本例电路板元件不多，但为了讲解演示方便，采用了较大的电路板尺寸：100mm（宽）40mm（高）。规划电路板的二种方法 确定电路板的尺寸大小后，就可新建PCB文件，并规划电路板了，规划电路板有二种方法：一种方法采用PCB板向导规划，此方法快捷，易于操作，是一种较为常用的方法。另一种为新建PCB文件后，在机械层手工绘制电路板边框，在禁止布线层手工绘制布线区，标注尺寸，该方法比较复杂，但灵活性较大，可以绘制较为特殊的电路板。本电路板采用较为简单的第一种方法。1.选择PCB板向导 单击【File】标签，将出现如图所示的文件面板，选择【PCB Board Wizards】PCB板向导，弹出图所示的PCB板向导欢迎界面。弹出如图所示的PCB板向导欢迎界面 2.尺寸单位选择尺寸单位选择对话框，有英制（mil）和公制（mm）二种选择，读者可以根据兴趣选择尺寸类型，本例选择英制单位mil。PCB板类型选择PCB板用户自定义 信号层、内电源层选择 其中【Signal Layer】信号层默认为2层，可以不必修改，而【Power Planes】内电层默认为2层，由于本例电路较简单，不必使用内电源层，将其修改为0。过孔类型选择 选择【Thruhole Vias only】通孔类型（默认项），因为没有内电源/接地层，所以不使用盲孔形式。元件类型选择 在大部分元件类型项选择【Through-hole components】直插式元件类型，因为三端稳压电源中使用的元件全部为穿插式封装；相邻焊盘间的导线数项选【One Track】一条导线，因为该板布线密度并不高。导线、过孔、安全间距设置 PCB板向导结束 PCB板向导制作完成的电路板 7.4 载入元件封装与网络 Protel DXP实现了真正的双向同步设计，元件封装和网络信息即可通过在原理图编辑器中更新PCB文件来实现，也可通过在PCB编辑器中导入原理图的变化来实现。下面介绍第一种方法，即在原理图编辑器中如何利用系统提供的同步功能更新PCB编辑器的封装和网络：同步功能更新PCB编辑器的封装和网络 1打开原理图文件，如图所示，执行【Design】设计/【Update PCB PCB1.PcbDoc】更新PCB文件PCB1.PcbDoc菜单命令。更新PCB文件对话框 校验更新 在如图所示的更新PCB文件对话框中，点击【Validate Change】有效更新按钮，操作过程中将在【Status】状态栏中的【Check】检查列中显示各操作是否能正确执行，其中正确标志为绿色的“”，错误标志为红色的“”，如图所示。执行更新载入各封装元件和网络连接 点击【Execute Changes】执行更新按钮，软件将自动转到打开向导新建的PCB文件，将各封装元件和网络连接载入PCB文件中。装入电路板的PCB封装元件 7.5 元件布局 元件布局有二种方法，一种为自动布局，该方法利用PCB编辑器的自动布局功能，按照一定的规则自动将元件分布于电路板框内，该方法简单方便，但由于其智能化程度不高，不可能考虑到具体电路在电气特性方面的不同要求，所以很难满足实际要求；另一种为手工布局，设计者根据自身经验、具体设计要求对PCB元件进行布局，该方法取决于设计者的经验和丰富的电子技术知识，可以充分考虑电气特性方面的要求，但需花费较多的时间。一般情况下我们可以采用二者结合的方法，先自动布局，形成一个大概的布局轮廓，然后根据实际需要再进行手工调整。7.5.1 自动布局 执行【Tools】工具/【Auto Placement】自动布局/【Auto Place】菜单命令，如图所示。选择布局方式 选择【Cluster Placer】群组方式布局元件，点击【OK】按钮，启动自动布局过程，自动布局完成后的布局结果如图所示，可以看到自动布局的结果很不理想，必须进行手工调整。自动布局结果7.5.2 手工调整元件布局 根据原理图和电子线路方面的知识可以进一步对自动布局结果进行手工调整，手工布局时一般优先考虑电路中的核心元件和体积较大的元件，如本例中可先确定三端稳压块VR1和电解电容C1、C4的位置。手工布局过程中注意各元件不要重叠，功率较大元件的位置不能靠的太近，尽量使飞线不要交叉，飞线长度较短；电路板中元件尽量均匀分布，不要全部挤到一角或一边；以及便于和原理图对照分析，便于安装、维修、调试等电气方面的要求。对三端稳压电源进行手工布局调整，布局结果如图所示。手工调整后的布局结果 飞线7.6 设置自动布线规则 布线也有二种方式：自动布线和手工布线，与自动布局和手工布局一样，各有各的优缺点，自动布线方便快捷，但不一定满足电气特性方面的要求。手工布线要求布线者具有较丰富的实际经验，且工作量较大，耗时较多。所以一般也采用二者结合的方法，先进行自动布线，然后手工修改不合理的导线，甚至可以采用先预布一定导线锁定后，再采取自动布线与手工调整相结合的方法。设置自动布线规则 如果要采用自动布线，必须首先设置好布线规则，然后PCB编辑器才能按照预设的布线规则自动地完成导线的绘制，具体步骤如下：PCB设计规则设置菜单 执行【Design】设计/【Rules】规则菜单命令，出现如图所示PCB设计规则设置对话框。PCB设计规则设置对话框 PCB设计规则设置 并非所有的布线规则都需要重新设置，在一般电路板中，只需依据实际情况或设计要求对主要的布线规则进行设置，而其它规则可以采用默认参数，一般主要的布线规则有布线层面选择和导线宽度设置。本章的主要目的是使读者理解电路板的制作过程和步骤，所以本节暂时只介绍几项主要的布线规则设置方法，其它的布线规则采用默认值即可。7.6.1设置导线宽度规则Width Constraint 在电路板中，导线宽度关系到电路板的可靠性和布线难度，导线宽度太窄，一方面铜箔导线在焊接以及长期的使用过程中容易脱落、断裂，特别对于高压、大电流的导线，如电源、接地线太窄，可能造成铜箔导线电流过大而烧毁电路板等后果，严重时可能引起火灾；另一方面导线太窄也造成电路板厂家制作困难，成本提高；但导线宽度也不是越宽越好，导线越宽，自动布线时走线越困难，布通率越低，因此在自动布线前，必须根据实际情况和具体设计要求合理设置自动布线时的导线宽度。为了满足不同网络导线宽度的不同要求，同时不使电路板面积过大，我们可以采取同时设置几个导线宽度规则的办法：一般先设置一个整体电路板导线宽度的普通规则，然后根据实际情况对于大电流的个别网络导线分别设置较大的导线宽度。1.设置整体电路板导线规则 在导线宽度规则设置选择对话框中，选择【Width】导线宽度选项，可以看到对话框右栏中已经有了一个默认的导线规则，设置【Where the First object matches】规则适用范围选项为【All】整体电路板，导线宽度默认值为10mil，如果合适，可以不必修改，本例三端稳压电源中电路板面积较大，元件较少，另一方面也为讲解和演示过程比较清楚，导线宽度设置较宽。具体参数设置如下：【Maximum】最大宽度：40mil【Preferre】最优值：30mil【Minimum】最小：10mil 设置一般导线宽度 2特殊网络导线宽度设置 一般对于大电流网络我们必须单独设置导线宽度规则，如电源、接地网络等，本例中设地线GND导线宽度为60mil（最大80mil,最小50mil），电源NetC3_2导线宽度为50mil（最大60mil,最小40mil），操作方法如下：在导线宽度设置对话框中，选中【Width】规则项，单击鼠标右键，将弹出如图所示的浮动菜单，选中【New Rule】新规则菜单，将在原【Width】规则项上增加一个【Width1】新导线宽度规则设置项新增Width1导线宽度规则设置项 设置【Where the First object matches】为【Net】网络，在右侧的网络名称下拉列表框中选取“GND”，从而使本规则只改变GND地线的宽度，然后在下部分的参数栏中输入具体数值，点击【OK】按钮完成设置，相同的方法可以完成VCC网络的设置。7.6.2设置布线层面规则Routing Layers 该规则用于设置电路板布线的信号层以及各信号层布线的方向，即通过该规则可以决定电路板的种类双面板或单面板，系统默认设置为双面板，即信号层为顶层和底层，其中顶层布线方向默认为水平方向，底层布线方向默认为垂直方向。在自动布线规则设置对话框中，双击【Routing Layers】布线层面选项，将弹出如图所示的布线层面设置对话框 布线层面设置对话框 布线层面设置对话框各参数【Where the First object matches】规则适用范围：该参数可确定该规则的适用范围，可选项为【Net】网络、【Whole Board】全体电路板等，对于布线层面选择规则，该项选【Whole Board】全体电路板。板层选择：有【Top Layer】顶层和【Bottom Layer】底层二个信号层可供选择，单击层面右侧的下拉按钮，即可选择该层面是否使用和布线的方向，常用的选项如下：【Not Used】不使用：不使用该层，一般在单面板中顶层将选择该项。【Horizontal】水平：使用该层，且按水平方向进行布线。【Vertical】垂直：使用该层，且按垂直方向进行布线。【Any】任意：使用该层，且按任意方向布线，一般单面板 底层设置为该项。板层设置规律如果要制作单面板，布线层面可设置为顶层不使用，底层布线方向没有限制，可以任意方向，因此单面板层面设置如下：【Top Layer】：【Not Used】【Bottom Layer】：【Any】对于双面板，顶层、底层都使用，为了减小二层电路板导线之间的耦合程度，二层导线的布线方向应尽量垂直交叉错开，否则上下层导线相互平行，中间仅隔电路板的绝缘基板，导线铜箔和绝缘基板之间形成电容，将导致二层铜箔导线之间的交流信号相互耦合形成干扰。因此为了提高双层板的抗干扰能力，各层面必须交叉设置如下：【Top Layer】：【Horizontal】（或【Vertical】）【Bottom Layer】：【Vertical】（或【Horizontal】）本例中由于元件较少，电路板面积较大，为降低成本，所以设置为单面板。7.7 自动布线和3D效果图 如右图所示，执行【Auto Route】自动布线/【All】菜单命令。2.弹出如图所示的自动布线策略选择对话框，一般采用默认第一项参数即可。自动布线信息报告 在图所示的自动布线策略设置对话框中，点击【Route All】布所有导线按钮，将启动自动布线过程，本例中元件较少，布线速度很快，自动布线过程中弹出如图所示的自动布线信息报告栏。三端稳压电源自动布线结果 5.观看电路板3D效果图。执行菜单命令【View】视图/【Board in 3D】电路板3D效果 菜单命令，可以观看到电路板的立体效果图，如下页图所示，当然它只是一种模拟的三维电路板图，并不能完全等同于实际电路板和实际元件，但通过该图我们可以从立体三维空间的角度较为直观的观察到电路板的一些有用信息，如元件布局上是否有元件重叠，是否有元件之间距离太近等。(a)静态时看不到布线效果(b)按End键刷新屏幕时可以看到布线效果 上机实训制作单管放大电路PCB板 1.1.上机任务上机任务 制作如图所示的单管放大电制作如图所示的单管放大电路路PCB板，要求制作单面板，板，要求制作单面板，PCB板尺寸为板尺寸为60mm(2380mil)40mm(1580mil)。2.任务分析 该PCB板元件不多，三极管Q1为直插式塑封三极管，不能使用默认封装BCY-W3。这是因为显示隐藏管脚的NPN型三极管原理图符号如图(a)所示，其第1引脚为C极，第3引脚为E极。而实际三极管的管脚排列如图(b)所示，第1脚为E极，第3脚为C极，而默认封装BCY-W3的管脚排列如图(c)所示，所以如果采用默认封装，将导致安装的三极管C、E极倒置，造成PCB板严重错误，所以必须将引脚封装更改为“BCY-W3/H.7”，如图(d)所示。(a)NPN型三极管原理图符号(b)9013实际三极管的管脚排列 (c)原默认封装BCY-W3 (d)更改后的封装BCY-W3/H7 3.操作步骤和提示（1）绘制单管放大原理图，并为各元件确定合适的引脚封装，其中将三极管Q1的封装更改为“BCY-W3/H.7”。（2）产生网络表，并检查各元件编号、参数、引脚封装是否正确。（3）利用向导新建PCB板。（4）利用更新载入PCB元件和连接网络。（5）元件布局 先自动布局，然后手工调整，完成后的效果如图所示。自动布线（6）设置自动布线规则。其中一般导线宽度为：【Maximum】40mil，【Preferre】30mil，【Minimum】10mil。电源和接地线宽度为：【Maximum】80mil，【Preferre】60mil，【Minimum】40mil。（7）自动布线，效果如图所示。（8）观看PCB板3D效果。本章小结 本章通过制作一个较为简单的三端稳压电源PCB板，使读者初步体验电路板制作的主要过程，增强电路板制作的信心，重点讲解了PCB元件封装的确定，利用向导产生PCB板的步骤，自动布线规则的含义和设置方法，以及自动布局和自动布线等操作。同时读者也必须充分的认识到，本章所选的实例电路板非常简单，布线的结果也并不十分理想，在后面的章节中我们还需继续学习电路板的进一步改进和完善。