PCB設(shè)計(jì)技術(shù) 課件 3 功率放大電路

PCB設(shè)計(jì)技術(shù)課程項(xiàng)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(bǔ)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(jì)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(jiān)持。本章的重點(diǎn)在于熟練設(shè)計(jì)流程和鞏固基本知識(shí)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計(jì)物理封裝設(shè)計(jì)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(gè)非常簡單的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了PCB設(shè)計(jì)的基本流程本章將按照相同的流程，完成一個(gè)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(dòng)負(fù)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(dòng)揚(yáng)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(jì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計(jì)物理封裝設(shè)計(jì)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(jì)2.1電容的邏輯封裝設(shè)計(jì)02.邏輯封裝設(shè)計(jì)電容是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的基本元件，本項(xiàng)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(fù)極，瓷片電容屬于非極性電容，不區(qū)分正負(fù)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(jì)02.邏輯封裝設(shè)計(jì)需要注意，從現(xiàn)有庫中調(diào)取的元件必須進(jìn)行核對和修改，確保與元件的實(shí)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(xiàng)目采用了一個(gè)帶旋鈕的電位器，用來對輸入信號的強(qiáng)度進(jìn)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(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腜CB工程師，對于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)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(jì)02.邏輯封裝設(shè)計(jì)芯片，學(xué)術(shù)名稱是集成電路（IntegratedCircuit,IC），是一個(gè)內(nèi)部包含了若干個(gè)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(jì)必須嚴(yán)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(jì)方案02.邏輯封裝設(shè)計(jì)兩個(gè)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(dá)2.4單列排針的邏輯封裝設(shè)計(jì)02.邏輯封裝設(shè)計(jì)本項(xiàng)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(gè)，其邏輯封裝可以設(shè)計(jì)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(jì)準(zhǔn)備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計(jì)物理封裝設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)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(gè)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(xiàng)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(huì)影響電路的連接關(guān)系物理封裝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計(jì)物理封裝設(shè)計(jì)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(jì)4.1電解電容的選型和封裝設(shè)計(jì)04.物理封裝設(shè)計(jì)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(chǔ)存電荷的電解質(zhì)材料，分正、負(fù)兩極，不可反接。直插型貼片型負(fù)極負(fù)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(jì)設(shè)計(jì)物理封裝主要需要確定3個(gè)參數(shù)：圓柱體直徑（DΦ）、兩個(gè)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(jì)1204.物理封裝設(shè)計(jì)(0,0)坐標(biāo)(1.25,0)坐標(biāo)(-1.25,0)6.3mm12正極標(biāo)記設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(biāo)示1腳為正極。4.2陶片電容的物理封裝設(shè)計(jì)04.物理封裝設(shè)計(jì)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?zé)Y(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(biāo)示于電容的外體上，其中電容值采用科學(xué)計(jì)數(shù)法表示，單位默認(rèn)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(jì)21304.物理封裝設(shè)計(jì)瓷片電容的物理封裝設(shè)計(jì)，與電解電容不同，瓷片電容的兩個(gè)引腳不區(qū)分正負(fù)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(jì)04.物理封裝設(shè)計(jì)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(xiàng)目使用左起第二個(gè)電位器作為輸入信號強(qiáng)度的調(diào)整元件04.物理封裝設(shè)計(jì)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(jì)04.物理封裝設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)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(jì)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(shí)體長寬（D、E）04.物理封裝設(shè)計(jì)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(jì)以芯片的中心為原點(diǎn)，計(jì)算1號焊盤的X坐標(biāo)應(yīng)為-3e/2，e是芯片引腳的間距。1號焊盤的Y坐標(biāo)由芯片兩列引腳的末端距計(jì)算，末端距作為兩列焊盤的中心距，因此1號焊盤的Y坐標(biāo)值為-HE/2，其中HE取其范圍5.8~6.2mm的平均值，即6.0mm2．計(jì)算焊盤位置坐標(biāo)1(-3e/2,

-HE/2)458HE3eebpHE04.物理封裝設(shè)計(jì)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(gè)5.0mm×4.0mm的矩形作為元件的絲印外框。該封裝是一個(gè)對稱的形式，一般做法是在1號焊盤旁邊添加標(biāo)識(shí)。3．繪制絲印外框ED1ED1號焊盤標(biāo)識(shí)4.5單列排針的物理封裝設(shè)計(jì)04.物理封裝設(shè)計(jì)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(jì)(0,0)2.542.55.08網(wǎng)表處理設(shè)計(jì)準(zhǔn)備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計(jì)物理封裝設(shè)計(jì)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(shí)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(dāng)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(jì)準(zhǔn)備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計(jì)物理封裝設(shè)計(jì)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(shí)際PCB設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(jìn)行規(guī)劃。電路可以劃分四個(gè)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(jìn)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(dòng)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(huì)干擾視線，在布局過程中一般會(huì)選擇隱藏這些鼠線。一些完善的PCB設(shè)計(jì)軟件在當(dāng)選中某一個(gè)元件進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，將會(huì)動(dòng)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(gè)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(gè)連接點(diǎn)，通過顏色設(shè)置，在布局時(shí)將這些網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的焊盤進(jìn)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(jì)準(zhǔn)備原理圖繪制網(wǎng)表處理PCB布局PCB布線邏輯封裝設(shè)計(jì)物理封裝設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行走線層切換時(shí)，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(shí)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(shí)，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(diǎn)在PCB的頂層（Top），B點(diǎn)在底層（Bottom），A點(diǎn)到B點(diǎn)的走線，必須通過一個(gè)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(gè)參數(shù)：內(nèi)徑的大小一般由工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合線寬、布線空間等因素進(jìn)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(xiàng)目的PCB設(shè)計(jì)中使用了一個(gè)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(gè)連接點(diǎn)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(gè)點(diǎn)連在一起，盡管這種方式能夠在電氣連接上滿足設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)PCB區(qū)域，PCB制造時(shí)右側(cè)將不會(huì)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(diǎn)07.PCB布線相比連線方式，鋪銅具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(jì)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(biāo)號和導(dǎo)出制造文件3個(gè)步