電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)精選(九篇)

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第1篇：電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞： 熱分析； 傅里葉變換； 最優(yōu)布局； 有限元分析

中圖分類號(hào)： TN305.94?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）19?0131?05

Abstract： According to the heat layout needs of the handheld jammer， the factors affecting on the thermal resistance are performed for priority division with Fourier series. The chips are successively placed according to the chips priority affecting on the thermal resistance to obtain the optimal layout scheme of the chips on the handhold jammer circuit board. The optimal layout scheme was simulated with the finite element analysis software ANSYS. The results show that the Fourier series used for optimal layout of the chips on the handheld jammer circuit board can reduce the thermal resistance of the handheld jammer and quicken the heat dissipation， the maximum temperature of the chip is reduced by 4.75%， and the reliability of the handheld jammer is improved.

Keywords： thermal analysis； Fourier transform； optimal layout； finite element analysis

0 引 言

手持式干擾機(jī)以其體積小、隱蔽性好、重量輕和性能優(yōu)良等顯著特點(diǎn)成為干擾衛(wèi)星信號(hào)的首選。但隨著手持式干擾機(jī)體積的縮小，其內(nèi)部元器件集成度越來越高，系統(tǒng)溫度也隨之越來越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的主要失效形式就是熱失效。隨著溫度的增加，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)[1]。因此，對(duì)手持式干擾機(jī)電路板進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，提高電路的可靠性和壽命具有重要意義[2]。

電路板溫度升高的主要因素有以下幾個(gè)方面：電子元器件布局密集、使用大功率集成芯片、電子設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作等[2]。目前，通常采用大量的仿真求解熱傳導(dǎo)方程，然后通過改變某一個(gè)變量來了解其變化趨勢(shì)，馬靜等人通過元器件的布局優(yōu)化分析得到了合適的布局方案，對(duì)比分析了考慮散熱措施時(shí)的溫度場(chǎng)分布[3]，但是這種利用仿真的方法很難展現(xiàn)出其數(shù)學(xué)趨勢(shì)，并且需要大量的仿真工作。Wang P等人解釋了傅里葉級(jí)數(shù)的多個(gè)熱源，但是并沒有分析其幾何效應(yīng)的趨勢(shì)[4]。

本文提出一種傅里葉級(jí)數(shù)的熱阻分析方法，將不同布局下的芯片對(duì)熱阻的影響歸結(jié)到熱阻的系數(shù)矩陣上，利用改變芯片位置的方法將熱阻值控制到最小。最后通過有限元分析軟件ANSYS對(duì)布局優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，以仿真實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了所提出的熱布局優(yōu)化方法的有效性。

1 熱模型簡(jiǎn)化分析

1.1 模型簡(jiǎn)化假設(shè)

對(duì)手持式干擾機(jī)模型的假設(shè)包括兩個(gè)方面：一是對(duì)手持式干擾機(jī)電路板元器件簡(jiǎn)化的假設(shè)；二是散熱條件的假設(shè)。

對(duì)手持式干擾機(jī)的電路板簡(jiǎn)化包括兩個(gè)部分的內(nèi)容：對(duì)SMC/SMD的合理簡(jiǎn)化；對(duì)PCB電路板的合理簡(jiǎn)化。首先考慮對(duì)SMC/SMD的簡(jiǎn)化替代。小外形的片式電容器、電阻器，由于其體積小，熱容量小，在工作中產(chǎn)生的熱量可以忽略，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)可將其作為質(zhì)量點(diǎn)加入到PCB基板上[5]。對(duì)于規(guī)則外形的發(fā)熱元器件，在計(jì)算時(shí)忽略其引腳以規(guī)則的幾何外形代替[6]。對(duì)于電路板的簡(jiǎn)化，主要考慮其層數(shù)以及電路板上金屬布線對(duì)材料參數(shù)的影響。對(duì)于單一材料，其材料參數(shù)是各向同性的，但對(duì)于有金屬布線以及多層電路板，其材料參數(shù)將呈現(xiàn)各向異性[7]。對(duì)于各向異性材料的電路板，將采用平均材料參數(shù)的方法對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。

對(duì)散熱條件的假設(shè)也包括兩部分內(nèi)容?？紤]到電路板的兩種散熱途徑：通過熱傳導(dǎo)將熱量分散到電路板上；通過熱對(duì)流將熱量分散到空氣中。在兼顧精度和計(jì)算量的情況下，對(duì)于給定材料的電路板，其熱傳導(dǎo)系數(shù)假設(shè)為常數(shù)；熱量在空氣中的熱對(duì)流系數(shù)假設(shè)為常數(shù)。因此，本文的分析中只考慮熱傳導(dǎo)、生熱率、對(duì)流系數(shù)和溫度這4個(gè)條件。

1.2 熱簡(jiǎn)化模型的建立

在對(duì)手持式干擾機(jī)電路板進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)后，需要對(duì)電路板建立簡(jiǎn)化模型。手持式干擾機(jī)電路板上主要有三個(gè)發(fā)熱芯片，分別為控制芯片、信號(hào)產(chǎn)生芯片和功放芯片?？刂菩酒瑸镾TM32F103，信號(hào)產(chǎn)生芯片為AD9854，功放芯片為TRF37C75，其具體尺寸和功耗見表1。

4 結(jié) 論

本文對(duì)影響熱阻的因素進(jìn)行分析，通過將熱阻擴(kuò)展成傅里葉級(jí)數(shù)的形式確定熱阻大小與發(fā)熱芯片位置的關(guān)系，得到了手持式干擾機(jī)電路板中芯片的最優(yōu)布局方案。根據(jù)優(yōu)化方案，利用有限元分析軟件對(duì)優(yōu)化前后的電路板最高溫度進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明，通過改變發(fā)熱芯片的位置可以有效降低手持式干擾機(jī)電路板的最高溫度，為低功耗小型化手持設(shè)備的電路板熱布局優(yōu)化提供了一種有效方法。

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第2篇：電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

【關(guān)鍵詞】電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝 學(xué)做一體 設(shè)計(jì) 制作

《電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝》是一門綜合性的應(yīng)用型邊緣學(xué)科，專業(yè)理論和實(shí)踐性都很強(qiáng)。職高生學(xué)習(xí)有困難。在多年教學(xué)中，筆者嘗試實(shí)行“學(xué)做一體”的教學(xué)模式，借助項(xiàng)目式教學(xué)，通過一套行之有效的教學(xué)方案，把課程各章節(jié)抽象的理論知識(shí)融合進(jìn)實(shí)踐項(xiàng)目的各個(gè)實(shí)施階段。這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)降低了學(xué)習(xí)難度，提升了教學(xué)效果。

為了更好地從學(xué)生出發(fā)，優(yōu)化教學(xué)過程和內(nèi)容，由實(shí)踐到理論，提高課堂教學(xué)有效性，本人設(shè)計(jì)了《電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作任務(wù)書》，以指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐。

1.目的與要求

通過一個(gè)簡(jiǎn)單的電子產(chǎn)品的整機(jī)設(shè)計(jì)與制作，全面了解電子產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)過程，鞏固和提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力、PCB板設(shè)計(jì)和PCB板的制作能力，電子元器件的選擇與檢測(cè)能力，電路安裝能力與電路的調(diào)試及檢修能力等等，以檢測(cè)學(xué)生知識(shí)的掌握程度和綜合能力，同時(shí)也了培養(yǎng)適應(yīng)電子企業(yè)相應(yīng)崗位的能力。

2.任務(wù)：完成一個(gè)實(shí)用電子產(chǎn)品的PCB板設(shè)計(jì)與整機(jī)制作。

3.具體任務(wù)操作

（1）選定一個(gè)簡(jiǎn)單的電子線路。寫出其性能指標(biāo)及電路功能。

（2）按照元件清單，選擇電子產(chǎn)品材料。

（3）設(shè)計(jì)PCB板。PCB板大小根據(jù)選定電路具體情況而定。要求打印出電子產(chǎn)品原理圖、印制電路板圖、元件清單，并有布局和布線說明、基本電氣檢測(cè)（ERC）及設(shè)計(jì)規(guī)則檢測(cè)（DRC）結(jié)果說明。注意元件封裝必須與實(shí)際元器件相符。

（4）PCB制作。要有制作過程說明。

（5）電路組裝應(yīng)符合工藝要求，既考慮電氣性能要求又考慮美觀要求。

（6）電路調(diào)試并寫出調(diào)試報(bào)告。檢測(cè)、調(diào)試的過程，方法及調(diào)試的結(jié)果。

4.組織方法

分組教學(xué)，3人一組，選定一個(gè)電路，每人獨(dú)立完成PCB板的設(shè)計(jì)，選出設(shè)計(jì)最好的印制電路板制作出電子產(chǎn)品。

5.具體實(shí)施時(shí)間安排

6.考核評(píng)價(jià)（每個(gè)任務(wù)評(píng)價(jià)，老師與學(xué)生評(píng)分各占50%）

7.課題舉例（學(xué)生可另選）

（1）直流穩(wěn)壓電源；

（2）閃光燈電路；

（3）晶閘管調(diào)光電路；

（4）晶體管延時(shí)電路。

8.課題報(bào)告（格式）

（1）封面。

（2）設(shè)計(jì)任務(wù)書。

（3）課題內(nèi)容（包括課題目的、課題選用器材、設(shè)計(jì)總體方案、電路原理圖、PCB設(shè)計(jì)圖、PCB制作過程說明、整機(jī)調(diào)試原理、方法及性能指標(biāo)、整機(jī)維修過程說明等）。

（4）整機(jī)特點(diǎn)、功能和使用說明。

（5）課題總結(jié)。

下面以《直流穩(wěn)壓電源印制電路板的制作及裝配》為例，具體說明“邊做邊學(xué)、學(xué)做一體”的實(shí)施方法和過程。

1.課程設(shè)計(jì)思路

電源電路是一切電子設(shè)備的基礎(chǔ)。由于電子技術(shù)的特性，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定的直流電能的直流穩(wěn)壓電源在電源技術(shù)中占有十分重要的地位。學(xué)生在之前的《電子線路》學(xué)習(xí)中已對(duì)直流穩(wěn)壓電源有所了解，加上直流穩(wěn)壓電路比較簡(jiǎn)單，便于實(shí)踐操作，故將此電路作為學(xué)生學(xué)習(xí)《電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝》的實(shí)例。

2.課前準(zhǔn)備工作

穩(wěn)壓電源散件一套、覆銅板一塊、腐蝕液（三氯化鐵水溶液）、烙鐵一把、毛筆、電鉆、裝配工具等

3.預(yù)備知識(shí)：覆銅板

（1）覆銅板是制作PCB板的材料，一般選用的是1.5mm和2.0mm的覆銅板。

（2）根據(jù)覆銅面的不同又分為單面覆銅板、雙面覆銅板、多層覆銅板。本課題只需采用單面板。

4.任務(wù)一：印制電路板的設(shè)計(jì)

（1）選擇電路圖及理論知識(shí)回顧：電路原理分析，計(jì)算輸出電壓的范圍。

（2）繪制電路原理圖（PROTEL DXP2004）

電路原理圖、元件清單、ERC、DRC檢測(cè)。

（3）繪制印制電路板（PCB）圖。

①元件封裝必須與實(shí)際元器件相符。

②合理安排電路中的元器件。

③選擇合適的導(dǎo)線安全間距和走線寬度。

5.任務(wù)二：印制電路板的制作

（1）覆銅板的處理

根據(jù)電路選好一塊大小合適的覆銅板，去掉氧化層，將覆銅板四周打磨平整。

（2）圖形轉(zhuǎn)?。ㄓ捎趯?shí)習(xí)條件的限制，我們采用手工描繪法）

具體操作：將設(shè)計(jì)好的PCB的圖紙通過打印機(jī)按照1：1比例打印出來，然后通過復(fù)寫紙印到覆銅板上。用耐水洗、抗腐蝕的油性記號(hào)筆涂描焊盤和印制導(dǎo)線。本環(huán)節(jié)要求線條清晰、無斷線、無砂眼、無短接，且耐水洗、抗腐蝕。

（3）腐蝕、鉆孔

將自配的三氯化鐵水溶液（三氯化鐵和水可按1：2配制）腐蝕液放入塑料盒中，將待腐蝕的PCB板線路朝上放入盒內(nèi)，用長(zhǎng)毛軟刷往返均勻輕刷，待不需要的銅箔完全消除后取出，清洗并擦干，再用電鉆將PCB板鉆孔和進(jìn)行防表面氧化處理即可。

通過任務(wù)一和任務(wù)二的實(shí)施，學(xué)生對(duì)電子設(shè)備的防護(hù)的基本知識(shí)有了簡(jiǎn)單直觀的認(rèn)識(shí)，并且結(jié)合課程第三章內(nèi)容能對(duì)電路的元器件進(jìn)行較為合理的布局，又動(dòng)手DIY了一塊由自己設(shè)計(jì)的印制電路板，同時(shí)也基本掌握了簡(jiǎn)單的印制電路板的設(shè)計(jì)及制作過程，對(duì)本課程第四章印制電路板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝有一定的了解。感興趣的學(xué)生在制作自己的電路板過程中也開始研究企業(yè)雙面孔金屬化印制板和常規(guī)多層板的制作工藝。

6.任務(wù)三：穩(wěn)壓電源的焊接裝配與調(diào)試

注意元器件裝配流程及元件安裝技術(shù)要求。

7.任務(wù)四：調(diào)試與檢測(cè)

（1）安裝完畢，經(jīng)檢查無誤后方可通電調(diào)試檢測(cè)。

（2）電壓測(cè)量：測(cè)量三極管各極電位并判斷其工作狀態(tài)、電路輸出電壓可調(diào)范圍。

（3）調(diào)試：本環(huán)節(jié)意在讓學(xué)生明白電路調(diào)試的內(nèi)容，能選擇正確的儀器儀表，分析調(diào)試中出現(xiàn)的問題并進(jìn)行排故，對(duì)調(diào)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，作出產(chǎn)品是否合格的結(jié)論，也要提出電

路改進(jìn)的意見。

實(shí)踐證明，以《電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作任務(wù)書》來實(shí)施教學(xué)，可以優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過程，提高教學(xué)效率。在教學(xué)實(shí)踐中，教師要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要，制定切實(shí)可行的實(shí)施方案，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，發(fā)揮學(xué)生主體作用，進(jìn)而提高教學(xué)效率。

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第3篇：電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞:模態(tài)仿真分析;航天電子產(chǎn)品;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);ANSYS

中圖分類號(hào):TB115

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)09-0307-03

1 航天電子產(chǎn)品力學(xué)特點(diǎn)

航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的功能是維持設(shè)備的外部構(gòu)型,提供內(nèi)部電路板組件、獨(dú)立的元器件及模塊的安裝空間,滿足安裝要求,確保在各種受載條件下元器件、組件的安全,其中力學(xué)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的內(nèi)容之一。

航天電子產(chǎn)品所承受的載荷根據(jù)其力學(xué)特性可分為靜載荷和動(dòng)載荷,通常靜載荷可以通過采取適當(dāng)措施減小其影響。動(dòng)載荷則比較復(fù)雜,航天器在地面到發(fā)射、進(jìn)入軌道和返回地面的各階段工作狀態(tài)下要經(jīng)受各種環(huán)境條件,都屬于動(dòng)載荷范疇,下表是航天器飛行過程中的動(dòng)態(tài)激勵(lì)特性。

POGO:液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液體輸送系統(tǒng)與火箭結(jié)構(gòu)之間的液固耦合現(xiàn)象。

動(dòng)載荷中的高頻部分容易衰減,低頻部分則不容易衰減,如果航天電子產(chǎn)品中的元器件或結(jié)構(gòu)組件的固有頻率與上述動(dòng)態(tài)激勵(lì)的頻率相同,則容易引起共振,發(fā)生事故,所以航天電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中必須盡量提高整體的基頻。

模態(tài)分析的目的是確定航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性(固有頻率和振型)。因?yàn)樗环矫婵梢员苊馀c電子元件及控制元件的頻率共振,另一方面是其它動(dòng)力響應(yīng)分析的基礎(chǔ),為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。

2 航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程如圖1所示。其中一個(gè)數(shù)值分析驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)反饋環(huán)節(jié),其中的力學(xué)分析就包含模態(tài)分析,但此時(shí)模態(tài)分析的目的是檢驗(yàn)詳細(xì)設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)是否滿足基頻的要求。一般從總體設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)中間環(huán)節(jié)往往憑設(shè)計(jì)人員的工程經(jīng)驗(yàn),如果到詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后的力學(xué)分析中發(fā)現(xiàn)問題,則需要重新進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),甚至可能需要對(duì)總體設(shè)計(jì)的進(jìn)行更改。

同時(shí),由于模態(tài)分析可以使用比較簡(jiǎn)單的模型,使用有限元分析便可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率,需要的代價(jià)很小,且在結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)之前增加一項(xiàng)模態(tài)分析能有助于結(jié)構(gòu)的選型,可以提前發(fā)現(xiàn)問題,有效的減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的反復(fù),并能為詳細(xì)力學(xué)分析提供初始數(shù)據(jù)。結(jié)合實(shí)際工作提出如下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化流程,具體如圖2所示:

下文就通過一個(gè)實(shí)例來分析總體設(shè)計(jì)階段增加模態(tài)分析的對(duì)于航天電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要作用。

3 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

有限元的基本思想是將彈性體離散成有限個(gè)單元,然后據(jù)各單元節(jié)點(diǎn)的位移協(xié)調(diào)和節(jié)點(diǎn)力平衡,其動(dòng)力學(xué)基本方程:

由于一般結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型影響極小,所以,求結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型時(shí),直接用無阻尼的自由振動(dòng)方程求解,即:

因任意彈性體的自由振動(dòng)都可分解為一系列的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的迭加:即結(jié)構(gòu)上各節(jié)點(diǎn)位移為:

δ0為節(jié)點(diǎn)位移振幅向量(即振型),與時(shí)間t無關(guān)的位移幅值;

ω為與該振型對(duì)應(yīng)的頻率。

將節(jié)點(diǎn)位移代入動(dòng)力方程,化簡(jiǎn)得廣義特征值問題:

上式稱為結(jié)構(gòu)的特征方程。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的自由度為n,則特征方程為ω的n次代數(shù)方程,其n個(gè)根稱為特征值,記為ω21,…ω2n。

它們的平方根稱為系統(tǒng)的固有頻率,即ωr,r=1,…n

將這些固有頻率從小到大依次排列為ω1≤ω2…ωn

最低的頻率ω1稱為基頻,它是所有頻率中最重要的一個(gè)。

對(duì)于有n個(gè)自由度正定系統(tǒng),就得到ω2的n個(gè)大于零正實(shí)根。振型就是任一階固有頻率作簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí),各頻率對(duì)應(yīng)的n個(gè)振幅值間所具有確定的相對(duì)比值,表示系統(tǒng)有一定的振動(dòng)形態(tài)。由于篇幅所限其具體方法本文不再贅述。

4 模態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例

航天電子產(chǎn)品中電路板形狀的選擇是一個(gè)比較常見的任務(wù),也是電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。下面將就某儀器的三種電路板方案進(jìn)行分析,來說明模態(tài)分析在結(jié)構(gòu)選型過程中的應(yīng)用。

4.1 有限元建模

本文模型建立過程中對(duì)其忽略電路板和元器件細(xì)節(jié),在ANSYS有限元軟件平臺(tái)上,假設(shè)有效載荷和模塊結(jié)構(gòu)質(zhì)量均勻分布。本文結(jié)合實(shí)際,選擇三種面積基本相當(dāng)?shù)碾娐钒逍螤钭鳛閭溥x,具體情況如下:

方案A的電路板為正方形,其對(duì)應(yīng)的箱體為薄的、底面為正方形的箱體,如圖3所示。

圖3 方案A電路板外形和其可能對(duì)應(yīng)的箱體外形圖

方案B電路板選擇為長(zhǎng)方形,其對(duì)應(yīng)的箱體是薄的、底面為長(zhǎng)方形的箱體,相對(duì)于方案A,其特點(diǎn)是減小了面板面積,增加了長(zhǎng)度,如圖4所示。

圖4 方案B電路板外形和其可能對(duì)應(yīng)的箱體外形圖

方案C則選擇兩層電路板布線,通過四顆支柱連接,其對(duì)應(yīng)的箱體是比A、B兩個(gè)方案高的正方形箱體,但減小了底面積,如圖5所示。

三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn),在沒有其它設(shè)計(jì)約束的情況下,電路設(shè)計(jì)人員和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要憑經(jīng)驗(yàn)選擇一種方案作為設(shè)計(jì)的輸入,本文試圖通過對(duì)三種電路板的模態(tài)分析試圖找出其中的優(yōu)劣,進(jìn)而做出選擇。

4.2 模態(tài)仿真分析

在ANSYS軟件中我們利用3D-Elastic Shell 63和3D-Elastic Beam 4單元對(duì)電路板的連接桿進(jìn)行模擬。輸入實(shí)常數(shù)及材料常數(shù),以Smartsizing網(wǎng)格密度的方式。電路板材料采用環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板,電路板連接結(jié)構(gòu)采用2A12硬鋁。

由于主要影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是最低幾階的固有頻率,本例中我們?nèi)∏?階固有頻率進(jìn)行計(jì)算,具體計(jì)算過程從簡(jiǎn),由于經(jīng)過了適當(dāng)簡(jiǎn)化,普通配置的臺(tái)式機(jī)的計(jì)算時(shí)間一般只需要幾秒鐘。在相同的邊界條件和物理屬性參數(shù)的情況下,經(jīng)過仿真計(jì)算,獲得了三種不同方案的電路板結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,三種方案的基頻和振型結(jié)果分別見表2,三種方案的第一階振型和應(yīng)力云圖分別見圖6、圖7和圖8。

4.3 模態(tài)分析結(jié)果

上述結(jié)果可以看到,方案A的固有頻率最小為221.03Hz,方案B的固有頻率最小為187.02Hz,固有頻率均大于100Hz,且均未出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況均能符合要求。分析結(jié)果顯示出正方形電路板方案的固有頻率更高,對(duì)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)更加有利。如果僅從模態(tài)分析考慮,電路板形狀應(yīng)該

選擇方案A,且箱體選擇薄的、底面為正方形的結(jié)構(gòu),如圖3所示。

方案C的最小固有頻率為23.10Hz,基頻太低,與表1中動(dòng)態(tài)激勵(lì)中的低頻部分重疊較多,容易引起共振而破壞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。且方案C的產(chǎn)生的應(yīng)力比前兩個(gè)方案大,并且出現(xiàn)了應(yīng)力集中的情況,薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在4根支柱的連接處,有可能在上下兩層電路板的這8個(gè)點(diǎn)對(duì)造成直接的破壞,換句話說,要采用方案C則需要對(duì)兩電路板進(jìn)一步加固,或改為其他的雙層固定方式,并同時(shí)解決固定支柱位置的應(yīng)力集中問題。

4.4 討論和說明

關(guān)于以上分析,還有以下幾點(diǎn)需要總結(jié)和說明:

(1)通過上文分析,可以得出,方案A最優(yōu),可以作為下一步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸入,如果必須選C則應(yīng)該另選其他的支撐形式,并且還要對(duì)連接處做進(jìn)一步分析,處理好電路板上應(yīng)力集中的問題;

(2)采用模態(tài)分析對(duì)航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)選型有一定的指導(dǎo)意義,能從大量的方案種找出可能比較合理的方案,并為詳細(xì)設(shè)計(jì)后的力學(xué)分析提供了初步的分析依據(jù);

(3)模態(tài)分析僅僅是航天電子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的一種,也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ),故模態(tài)分析數(shù)據(jù)良好并不能說明其他動(dòng)力學(xué)分析可以忽略。反之如果模態(tài)分析出現(xiàn)問題,則必須認(rèn)真分析結(jié)果,并采取措施提高基頻;

(4)計(jì)算的時(shí)候僅考慮了電路板,忽略了元器件的重量和分布,忽略了電路板上覆銅層的特點(diǎn),所以計(jì)算結(jié)果與實(shí)際可能有一定差別,但計(jì)算結(jié)果能對(duì)定性的分析構(gòu)型的優(yōu)劣提供可靠依據(jù),對(duì)結(jié)構(gòu)選型有一定的參考價(jià)值。且計(jì)算固有頻率和振型結(jié)果,沒有考慮阻尼等因素,還需進(jìn)一步仿真分析修正和模擬空間環(huán)境模態(tài)分析試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,使用有限元分析方法進(jìn)行初步的模態(tài)分析可較方便的得到某一構(gòu)型的基頻和振型,為判斷結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣提供了依據(jù),可以給電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了初始的輸入,也為進(jìn)一步動(dòng)態(tài)仿真分析和模擬空間環(huán)境模態(tài)分析試驗(yàn)驗(yàn)證提供了依據(jù),由此可以看出,在總體設(shè)計(jì)階段增加簡(jiǎn)單的模態(tài)分析可以以很小的代價(jià)獲得最終產(chǎn)品的大致評(píng)價(jià),對(duì)初始設(shè)計(jì)階段的選型有一定的指導(dǎo)意義,可以減少設(shè)計(jì)的盲目性,可以改進(jìn)航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。

參考文獻(xiàn)

第4篇：電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：智能照明 照明控制 節(jié)電 抗干擾

在人們?nèi)粘Ｉ钪?，各種家庭用具和辦公需要采用智能系統(tǒng)方式日益增加，照明系統(tǒng)的多樣性和各種環(huán)境的要求使得其不斷的進(jìn)行改進(jìn)和完善。因此在當(dāng)前的智能照明系統(tǒng)中應(yīng)用形式多樣，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法增多。智能節(jié)電控制系統(tǒng)是業(yè)內(nèi)高科技企業(yè)與各個(gè)高效科研機(jī)構(gòu)在國(guó)際結(jié)構(gòu)能力的不斷發(fā)展趨勢(shì)上沿著國(guó)家節(jié)能環(huán)保需求發(fā)展，專門對(duì)人們生活中的各種用電領(lǐng)域進(jìn)行開發(fā)和控制系統(tǒng)。該類智能節(jié)電控制系統(tǒng)在當(dāng)前社會(huì)的應(yīng)用中能夠有效的降低成本控制，提高便捷性和相應(yīng)的可靠性，在各種業(yè)務(wù)的擴(kuò)展方面能夠綜合分析，在智能照明節(jié)能控制系統(tǒng)的發(fā)展基礎(chǔ)上來對(duì)照明控制系統(tǒng)的各種干擾問題進(jìn)行合理分析。

1、智能照明節(jié)電控制系統(tǒng)的種類及特點(diǎn)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的繁榮、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)不斷進(jìn)步，在人們生活中對(duì)各種生活物質(zhì)要求不斷提高，傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)在當(dāng)前人們生活中已經(jīng)無法滿足人們的需求。人們迫切的希望在生活中能夠用更加方便、更加放心甚至是隨心所欲的控制方式來對(duì)各種照明系統(tǒng)要求進(jìn)行控制，于是。智能照明控制系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。由于實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓的高度平滑調(diào)節(jié)，在應(yīng)用的過程中使用智能照明控制系統(tǒng)用代替?zhèn)鹘y(tǒng)的照明系統(tǒng)能夠有效的節(jié)約能源、降低經(jīng)濟(jì)破壞和器具損耗，使得燈內(nèi)電弧更穩(wěn)定，降壓節(jié)能空間更大，而且在使用的時(shí)候?qū)﹄婓H的節(jié)約也越高。

但是在長(zhǎng)期以來，由于人們?cè)谏钪袑?duì)智能控制系統(tǒng)中的忽視，造成其在應(yīng)用中各個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制方式的不合理和不完善，在學(xué)校體系的節(jié)能和控制應(yīng)用中各種方式和手段的不夠嚴(yán)謹(jǐn)。在智能技術(shù)的控制應(yīng)用中，我們應(yīng)當(dāng)揚(yáng)長(zhǎng)避短，使得在生活中各種設(shè)計(jì)焦點(diǎn)和重都能夠進(jìn)一步的提高，對(duì)電氣設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步的滿足人們生活需求。隨著當(dāng)前通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳媒技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，在智能控制體系中，采用智能化和數(shù)字化一體應(yīng)用，使得智能技術(shù)能夠在當(dāng)前人們生活的各個(gè)領(lǐng)域被應(yīng)用。

2、系統(tǒng)抗干擾注意事項(xiàng)

對(duì)于此類產(chǎn)品，其實(shí)早已超過傳統(tǒng)照明的范疇，由于控制部分所占比重較大，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性自然而然地成為我們最為關(guān)心的問題。干擾對(duì)控制電路的影響，向來是每個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要直面解決的問題，干擾是導(dǎo)致智能照明控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制誤差的主要原因之一，故筆者將從硬件和軟件2個(gè)方面著重分析智能照明節(jié)能系統(tǒng)的抗干擾措施。

2.1無線通信模塊PCB制作抗干擾

印制電路板（PCB板）由射頻通信電路板和單片機(jī)控制電路板2部分組成，同時(shí)在應(yīng)用的過程中能夠影響到各個(gè)射頻通信模板的性能要求，所以針對(duì)無線通信模塊PCB制作抗干擾顯得尤為重要。因此，電磁兼容性不僅要求具有一定抗干擾能力，而且盡量不產(chǎn)生電磁輻射。射頻通信電路PCB板的布局為：（1）要使得PCB板上的射頻通信模塊PCB板與控制單片機(jī)系統(tǒng)的接口能夠方便模塊的物理連接；（2）考慮nRF905體積較小，且具有相對(duì)簡(jiǎn)單的元器，此時(shí)，再設(shè)計(jì)PCB板時(shí)要充分考慮以rlRF905芯片為中心，合理考慮nRF905芯片及元件的排列；（3）認(rèn)真分析電路結(jié)構(gòu)，對(duì)電路進(jìn)行分塊處理，充分考慮通信模塊天線的位置，如系統(tǒng)采用單端連接的50n阻抗天線；（4）合理安排電路中易受干擾的部分元器件的布局，可以考慮單元電路在使用中對(duì)電磁兼容性敏感程度，同時(shí)還應(yīng)該盡量避開干擾源，比如單片機(jī)控制板上單片機(jī)的干擾等。微電腦智能性集中補(bǔ)償技術(shù)。采用單機(jī)或DSP芯片以及大規(guī)模集中電路作控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，能自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)無功功率變化，快速采樣、運(yùn)算并發(fā)出投切信號(hào)。開關(guān)模塊采用大功率晶閘管實(shí)現(xiàn)電容器組的零電壓投入和零電流切除，無浪涌電流沖擊、無火花和諧波干擾。該技術(shù)作為新一代的集中補(bǔ)償技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用。為了保持PCB板的最佳性能，應(yīng)該包括地網(wǎng)層，即對(duì)于nRF905直流工作電源來講，除了在小電容旁并一個(gè)大的表貼電容如4.7膽電容外，還應(yīng)該盡可能靠近VDD引腳并用高質(zhì)量中電容濾波；同時(shí)，nRF905工作電源應(yīng)進(jìn)行濾波處理并與任何數(shù)字電路的電源分離，PCB板避免使用長(zhǎng)電源線，器件的所有地VDD和VDD的旁路電容必須盡量靠近nF905芯片。當(dāng)存在PCB板的地網(wǎng)層在上面的情況時(shí)，VSS引腳應(yīng)該直接連接到地網(wǎng)層；如果PCB板的地網(wǎng)層在下面，最好的方法是在VSS引腳最近的地方打一過線孔，每個(gè)VSS引腳最少應(yīng)有一個(gè)過線孔?？紤]如何布線則是在實(shí)現(xiàn)元器件在PCB板上的合理布局后的另外一個(gè)重要問題，對(duì)于射頻通信模塊的電路，布線的走向、寬度、線間距的不合理設(shè)計(jì)，交叉干擾，系統(tǒng)電源自身仍存在的噪聲干擾這些問題都將影響著整體，因此合理布線顯得尤為重要。

2.2軟件抗干擾

除了分析了硬件設(shè)計(jì)和PCB制作中抗干擾因素外，軟件的抗干擾設(shè)計(jì)同樣不容忽視，因此下面討論了系統(tǒng)的抗干擾措施：如XXX公司生產(chǎn)的XXX產(chǎn)品智能控制系統(tǒng)采用AT98S52自帶的看門狗，進(jìn)行抗干擾操作，其原理和功能是：在單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，獨(dú)立于CPU之外的看門狗通過檢測(cè)單片機(jī)的狀態(tài)信號(hào)，監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行。一旦發(fā)現(xiàn)CPU的運(yùn)行不正常：如出現(xiàn)程序跑飛、死循環(huán)等情況，它就會(huì)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，強(qiáng)制單片機(jī)系統(tǒng)重新啟動(dòng)。AT89S52內(nèi)部的看門狗包含一個(gè)14位計(jì)數(shù)器和看門狗定時(shí)復(fù)位寄存器（WDTRST）。將代碼01EH和0EIH先后寫入復(fù)位寄存器的地址為0A6H激活看門狗功能，看門狗的l4位計(jì)數(shù)器便啟動(dòng)計(jì)數(shù)。在品振有效下，計(jì)數(shù)器每個(gè)機(jī)器周期將加，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿（3FFFH）溢出時(shí)，單片機(jī)的RST引腳上輸出高電平脈沖，單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位重啟，從0000H開始重新執(zhí)行程序。一旦看門狗被啟動(dòng)，除了硬件復(fù)位或看門狗溢出外，沒有其他辦法能使其停止計(jì)數(shù)，因此，為避免看門狗計(jì)數(shù)器不必要的溢出，在看門狗運(yùn)行期間，系統(tǒng)將定時(shí)復(fù)位看門狗。

第5篇：電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：印制電路板（PCB）正交表因素水平參數(shù)優(yōu)化

0 引言

目前，全球PCB產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占電子元件產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的四分之一以上，是各個(gè)電子元件細(xì)分產(chǎn)業(yè)中比重最大的產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)400億美元。PCB鉆孔技術(shù)發(fā)展迅速，逐步向微孔、盲孔、高密度孔發(fā)展，目前PCB成孔方式主要是采用數(shù)控機(jī)械鉆孔[1]。隨著電子科技的高速發(fā)展，對(duì)于PCB孔的要求也越來越高，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外PCB鉆孔技術(shù)仍然存在一些問題，如多層板高密度的孔很難控制孔徑圓度，孔位精度值會(huì)偏低，且會(huì)出現(xiàn)殘膠、披鋒、孔壁粗糙等現(xiàn)象?？孜痪仁窃u(píng)價(jià)鉆孔質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，影響孔位精度的因素有許多，如對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀速度、退刀速度、下鉆深度、孔限、疊板數(shù)、鉆頭研磨次數(shù)等。這些因素之間存在相互作用，故實(shí)際生產(chǎn)中很難把握各個(gè)因素的參數(shù)。實(shí)際生產(chǎn)中，工程師根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來確定工藝參數(shù)的，一方面試驗(yàn)次數(shù)要比較多，另一方面也難以確定PCB最佳的參數(shù)組合。本文采用了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到影響PCB鉆孔各因素的敏感程度及最佳鉆孔工藝參數(shù)。

1 鉆孔的工藝參數(shù)分析

根據(jù)專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，找出對(duì)指標(biāo)有影響的一切可能的因素，然后分類。一類因素的值是固定的，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中就取這個(gè)定值；另一類因素是變化的，用水平來表示因素的變動(dòng)范圍。對(duì)于非連續(xù)性的水平，只能取幾個(gè)值；對(duì)于連續(xù)性的水平，可在范圍內(nèi)取幾個(gè)水平，這里對(duì)鉆孔每個(gè)因素取2水平進(jìn)行分析，具體取值見表1。

2 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及方差分析

2.1 正交表的設(shè)計(jì) 在多因素試驗(yàn)中，不僅各個(gè)因素的水平改變時(shí)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有影響，而且各因素的聯(lián)合搭配對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)也有影響，后一種影響叫做因素的交互作用。建立正交表之前要進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)中，因?yàn)橐紤]各因素間的交互作用，所以因素不能隨便入列[2]。本試驗(yàn)考慮7因素，交互作用考慮8個(gè)，總共有15個(gè)，每因素取2水平，所以選用L16(215)的正交表。交互作用列表所占的列是一定的，表頭設(shè)計(jì)如表2所示。

2.2 正交試驗(yàn)的結(jié)果分析 試驗(yàn)結(jié)果用CPK（Complex Process Capability index，制程能力指數(shù)）來表示鉆孔的質(zhì)量，CPK值越大鉆孔質(zhì)量就越好，CPK值由專業(yè)檢測(cè)機(jī)器測(cè)出。根據(jù)表頭設(shè)計(jì)、影響鉆孔因素列出正交表L16(215)，根據(jù)這個(gè)表的16個(gè)方案執(zhí)行試驗(yàn)，得到的CPK值分別為：0.994、1.128、1.030、0.984、1.249、1.437、1.589、0.918、1.241、1.957、1.261、1.334、2.022、1.306、1.615及1.877，將這16個(gè)值填入到L16(215)表格中進(jìn)行偏差、方差及顯著性分析，結(jié)果表明各因素對(duì)PCB鉆孔參數(shù)影響主次的順序?yàn)椋?/p>

由此可得出影響PCB鉆孔工藝參數(shù)的顯著因素為A-轉(zhuǎn)速，D-孔限，B-進(jìn)刀速。

3 主要因素的參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)前面分析結(jié)果，將主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀速、孔限這3個(gè)因素作為主要影響因素，并把它作為實(shí)驗(yàn)因素，將其它因素設(shè)為固定條件，以便確定主要影響因素的最佳參數(shù)。為了更準(zhǔn)確的分析，采用三水平的正交表L9(34)，考慮到現(xiàn)實(shí)的一些情況及鉆孔成本，各因素的水平數(shù)值設(shè)定見表3，根據(jù)這個(gè)表做9次試驗(yàn)得到的結(jié)果填入表3。

3.1 參數(shù)的確定 為了直觀分析因素與指標(biāo)的關(guān)系，采用繪制趨勢(shì)圖，用因素的水平作橫坐標(biāo)，指標(biāo)的CPK值作縱坐標(biāo)，畫出因素與指標(biāo)的關(guān)系（趨勢(shì)圖），如圖1，從圖中可以看出：

3.1.1 主軸轉(zhuǎn)速以A2為最佳，A2水平過后指標(biāo)值呈下降趨勢(shì)，所以取水平160krpm。

3.1.2 進(jìn)刀速呈上升趨勢(shì)，可取B3=24um/r，水平也可適當(dāng)調(diào)高一點(diǎn)。

3.1.3 孔限水平在D1、D2時(shí)，效果都一樣，并考慮到孔限極差小，應(yīng)取D2=1500。因此，可以確定主要工藝參數(shù)的最佳水平組合為A2B3D2。

3.2 效果驗(yàn)證 根據(jù)正交表試驗(yàn)分析結(jié)果和實(shí)際情況的分析，確定出最佳PCB工藝鉆孔參數(shù)：轉(zhuǎn)速160krpm，進(jìn)刀速24um/r，孔限1500，退刀速1000mm/min，研磨次數(shù)3次，上拉高度4mm，鉆頭型號(hào)選用P0353。將這一組工藝參數(shù)應(yīng)用于某客戶的實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行驗(yàn)證，其中的5次操作結(jié)果CPK值分別是2.025、2.124、2.011、2.357和2.184 ，均值達(dá)到2.14?？梢钥吹贸霾捎眠@一組工藝參數(shù)操作的穩(wěn)定性很好，改善的效果也很明顯。

4 結(jié)語

應(yīng)用本文得到的工藝參數(shù)，鉆孔質(zhì)量中的孔位精度得到明顯改善，表明此試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，不僅提高了鉆孔質(zhì)量，而且縮短工藝參數(shù)優(yōu)化的時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

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第6篇：電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

中圖分類號(hào):TN911-34; TP303.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-373X(2010)16-0080-03

Wiring Technique to Improve the Signal Integrity in PCB of Embedded System

JIANG Zhang, QI Jian-feng, WANG Chuang-wei

(Department of Computer, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract: A method of the equitable wiring is proposed for solving the problems of signal integrity insufficiency caused by the high-frequency environment in PCB of embedded systems. Several methods to use the wiring techniques to improve signal integrity in the PCB design are summed up by the analysis of the diversified phenomena about signal integrity, and accounting for electrical characteristics of transmission lines, through-holes and corners by modeling. The methods have the actual reference value in the PCB design.

Keywords: embedded system; signal integrity; PCB design; wiring technique

0 引 言

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛,在很多應(yīng)用中,人們考慮的不再是功能和性能,而是可靠性和兼容性[1-2]。印制電路板(print circuit board,PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的基本支撐件,其設(shè)計(jì)質(zhì)量往往直接影響嵌入式系統(tǒng)的可靠性和兼容性[3]。以往,一些低速電路板中,時(shí)鐘頻率一般只有10 MHz左右,電路板或封裝設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)就是如何在雙層板上布通所有的信號(hào)線以及如何在組裝時(shí)不破壞封裝。由于互連線不曾影響系統(tǒng)性能,所以互連線的電氣特性并不重要。在這種意義下對(duì)信號(hào)低速電路板中的互連線是暢通透明的。但是隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,采用的電路基本上都是高頻電路,由于時(shí)鐘頻率的提高,信號(hào)上升沿也變短,印制電路對(duì)經(jīng)過信號(hào)產(chǎn)生的容抗和感抗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于印制電路本身的電阻,嚴(yán)重影響信號(hào)的完整性[4]。對(duì)于嵌入式系統(tǒng),當(dāng)時(shí)鐘頻率超過100 MHz或上升沿小于1 ns時(shí),信號(hào)完整性效應(yīng)就變得重要了[5-6]。

在PCB中,信號(hào)線是信號(hào)傳輸?shù)闹饕d體,信號(hào)線的走線情況將直接決定信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)越,從而直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。不合理的布線,將嚴(yán)重引發(fā)多種信號(hào)完整性的問題,對(duì)電路產(chǎn)生時(shí)序、噪聲和電磁干擾(EMI)等,將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。對(duì)此,本文從高速數(shù)字電路中信號(hào)線的實(shí)際電氣特性出發(fā),建立電氣特性模型,尋找影響信號(hào)完整性的主要原因及解決問題的方法,給出布線中應(yīng)該注意的問題和遵循的方法和技巧。

1 信號(hào)完整性

信號(hào)完整性是指信號(hào)在信號(hào)線上的質(zhì)量,即信號(hào)在電路中能以正確的時(shí)序和電壓電平作出響應(yīng)的能力,信號(hào)具有良好的信號(hào)完整性是指在需要的時(shí)候具有所必需達(dá)到的電壓電平數(shù)值。差的信號(hào)完整性不是由某一單一因素導(dǎo)致的,而是板級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同引起的[7]。信號(hào)完整性問題體現(xiàn)在很多方面,主要包括延遲、反射、串?dāng)_、過沖、振蕩、地彈等[8]。

延遲(Delay):

延遲是指信號(hào)在PCB板的傳輸線上以有限的速度傳輸,信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端,其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號(hào)延遲會(huì)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響;傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長(zhǎng)度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。在高速數(shù)字系統(tǒng)中,信號(hào)傳輸線長(zhǎng)度是影響時(shí)鐘脈沖相位差的最直接因素,時(shí)鐘脈沖相位差是指同時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間不同步。時(shí)鐘脈沖相位差降低了信號(hào)沿到達(dá)的可預(yù)測(cè)性,如果時(shí)鐘脈沖相位差太大,會(huì)在接收端產(chǎn)生錯(cuò)誤的信號(hào)。

反射(Reflection):

反射就是信號(hào)在信號(hào)線上的回波。當(dāng)信號(hào)延遲時(shí)間遠(yuǎn)大于信號(hào)跳變時(shí)間時(shí),信號(hào)線必須當(dāng)作傳輸線。當(dāng)傳輸線的特性阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí),信號(hào)功率(電壓或電流)的一部分傳輸?shù)骄€上并到達(dá)負(fù)載處,但是有一部分被反射了。若負(fù)載阻抗小于原阻抗,反射為負(fù);反之,反射為正。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過連接器的傳輸及電源平面不連續(xù)等因素的變化均會(huì)導(dǎo)致此類反射。

串?dāng)_(Crosstalk):

串?dāng)_是兩條信號(hào)線之間的耦合、信號(hào)線之間的互感和互容引起信號(hào)線上的噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流,而感性耦合引發(fā)耦合電壓。串?dāng)_噪聲源于信號(hào)線網(wǎng)之間、信號(hào)系統(tǒng)和電源分布系統(tǒng)之間、過孔之間的電磁耦合。串繞有可能引起假時(shí)鐘、間歇性數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等,對(duì)鄰近信號(hào)的傳輸質(zhì)量造成影響?，F(xiàn)實(shí)中,無法完全消除串?dāng)_,但可將其控制在系統(tǒng)所能承受的范圍之內(nèi)。PCB板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性、基線端接方式對(duì)串?dāng)_都有一定的影響。

過沖(Overshoot)和下沖(Undershoot):

過沖就是第一個(gè)峰值或谷值超過設(shè)定電壓,對(duì)于上升沿,是指最高電壓;對(duì)于下降沿,是指最低電壓。下沖是指下一個(gè)谷值或峰值超過設(shè)定電壓。過分的過沖能夠引起保護(hù)二極管工作,導(dǎo)致其過早的失效。過分的下沖能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(誤操作)。

振蕩(Ringing)和環(huán)繞振蕩(Rounding):

振蕩現(xiàn)象是反復(fù)出現(xiàn)的過沖和下沖。信號(hào)的振蕩即是由線上過渡的電感和電容引起的振蕩,屬于欠阻尼狀態(tài),而環(huán)繞振蕩,屬于過阻尼狀態(tài)。振蕩和環(huán)繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的,振蕩可以通過適當(dāng)?shù)亩私佑枰詼p小,但是不可能完全消除。

地電彈噪聲和回流噪聲:

當(dāng)電路中有較大的電流涌動(dòng)時(shí)會(huì)引起地電彈噪聲,如大量芯片的輸出同時(shí)開啟時(shí),將有一個(gè)較大的瞬態(tài)電流在芯片與板的電源平面流過,芯片封裝與電源平面的電感和電阻會(huì)引發(fā)電源噪聲,這樣會(huì)在真正的地平面上產(chǎn)生電壓波動(dòng)和變化,這個(gè)噪聲會(huì)影響其他元件的動(dòng)作。負(fù)載電容的增大,負(fù)載電阻的減小,地電感的增大,同時(shí)開關(guān)器件數(shù)目的增加均會(huì)導(dǎo)致地彈的增大。

2 傳輸通道電氣特性分析

在多層PCB中,絕大部分傳輸線不僅只布置在┑ジ霆層面上,而是在多個(gè)層面上交錯(cuò)布置,各層面間通過過孔進(jìn)行連接。所以,在多層PCB中,一條典型的傳輸通道主要包括傳輸線、走線拐角、過孔3個(gè)部分。在低頻情況下,印制線和走線過孔可以看成普通的連接不同器件管腳的電氣連接,對(duì)信號(hào)質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生太大影響。但在高頻情況下,印制線、拐角和過孔就不能僅考慮其連通性,還應(yīng)考慮其高頻時(shí)電氣特性和寄生參數(shù)的影響。

2.1 高速PCB中傳輸線的電氣特性分析

在高速PCB設(shè)計(jì)中,不可避免地要使用大量的信號(hào)連接線,且長(zhǎng)短不一,信號(hào)經(jīng)過連接線的延遲時(shí)間與信號(hào)本身的變化時(shí)間相比已經(jīng)不能忽略,信號(hào)以電磁波的速度在連接線上傳輸,此時(shí)的連接線是帶有電阻、電容、電感的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),需要用分布參數(shù)系統(tǒng)模型來描述,即傳輸線模型。傳輸線用于將信號(hào)從一端傳輸?shù)搅愆覛g,由2條有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)線組成,一條稱為信號(hào)路徑,一條稱為返回路徑。在低頻電路中,傳輸線的特性表現(xiàn)為純電阻電氣特性。在高速PCB中,隨著傳輸信號(hào)頻率的增加,導(dǎo)線間的容性阻抗減小,導(dǎo)線上感性阻抗增加,信號(hào)線將不再只表現(xiàn)為純電阻,即信號(hào)將不僅在導(dǎo)線上傳輸,而且也會(huì)在導(dǎo)體間的介質(zhì)中傳播。如果信號(hào)頻率進(jìn)一步增加,當(dāng)jωLR,1/(jωC)R 時(shí),導(dǎo)線上的感抗jωL 和容抗 1/(jωC) 成為比電阻RЦ主要的因素[5,7]。圖1為傳輸線電氣特性等效模型。

圖1 傳輸線電氣特性等效模型

對(duì)于均勻?qū)Ь€,在不考慮外部環(huán)境變化的情況下,電阻R、傳輸線寄生電感L和寄生電容C平均分布(即L1=L2=…=Ln;C1=C2=…=Cn+1)。假設(shè)傳輸線為無損傳輸線,即R=0時(shí),若取線參數(shù):單位長(zhǎng)度電容C1、單位長(zhǎng)度電感量L1Ш痛輸線的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)en,則有[5]:

傳輸線總電容:

C=C1×Len

傳輸線總電感:

L=L1×Len

根據(jù)傳輸線的線參數(shù)和總長(zhǎng)度,可計(jì)算傳輸線的特性阻抗Z0和時(shí)延TD,公式如下[1]:

Z0=L1C1,TD=CL=LenC1L1

由以上公式可以明顯看出,增大電容,減小電感,可以減小特性阻抗;減小傳輸線總長(zhǎng)度,以及電容、電感,均可以減小信號(hào)線上的傳輸時(shí)延。

2.2 高速PCB中過孔的電氣特性分析

過孔,通常是指印刷電路板中的一個(gè)孔,它是多層PCB設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素。過孔可以用來固定安裝插接元件或連通層間走線。從工藝層面來看,過孔一般分為三類:盲孔、埋孔和通孔。盲孔是指位于印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線路與下面內(nèi)層線路的連接,孔的深度與孔徑通常不超過一定的比率。埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔,它不會(huì)延伸到線路板的表面。通孔穿過整個(gè)線路板,可用于實(shí)現(xiàn)層間走線互連或作為元件的安裝定位孔。由于通孔在工藝上更易于實(shí)現(xiàn),成本較低,所以一般印制電路板均使用通孔,而不用另外兩種過孔。以下所說的過孔,均作為通孔考慮[9]。

過孔作為一段特殊的傳輸線,在高速電路中,過孔不但產(chǎn)生對(duì)地的寄生電容,同時(shí)也存在著寄生電感,其電氣特性的等效模型如圖2所示。

圖2 過孔電氣特性等效模型

過孔的寄生電容給電路造成的影響主要是使數(shù)字信號(hào)上升沿減慢或變差,降低了電路的速度。過孔的寄生電容值越小,影響越小。若過孔在鋪底層上的隔離孔直徑為DG,過孔焊盤的直徑為DV,PCB厚度為H,板基材料介電常數(shù)為ε,則過孔寄生電容CУ拇笮〗似于[9-10]:

C=1.41εHDVDG-DV

過孔寄生電感的主要影響是降低了電源旁路電容的有效性,使整個(gè)電源供電濾波效果變差。若L為過孔的寄生電感,h是過孔的長(zhǎng)度,DH是中心鉆孔的直徑,則可以用下面的公式來簡(jiǎn)單計(jì)算一個(gè)過孔近似的寄生電感[9-10]:

L=5.08h[ln(4h/DH)+1]

從上式可以看出,過孔直徑對(duì)電感的影響較小,過孔長(zhǎng)度對(duì)電感影響較大。在PCB中,通常旁路電容┮歡霜通過一個(gè)通孔連接到地平面,另一端也通過一個(gè)通孔連接到電源平面,因此通孔電感的影響會(huì)增加1倍。

2.3 傳輸線拐角對(duì)傳輸通道信號(hào)完整性問題的貢獻(xiàn)

當(dāng)信號(hào)沿均勻連線傳播時(shí),不會(huì)產(chǎn)生反射和傳輸信號(hào)的失真。但傳輸線上的拐角會(huì)使傳輸線處的阻抗發(fā)生變化,致使信號(hào)出現(xiàn)部分反射和失真。根據(jù)導(dǎo)線單位長(zhǎng)度電容C1(單位:pF/in),導(dǎo)線線寬w(單位:in),可通過下面公式簡(jiǎn)單估算每個(gè)拐角的寄生電容Ccorner:

Ccorner=0.5C1w

在高密度電路板中信號(hào)線線寬較窄時(shí),其拐角的寄生電容量引起的時(shí)延累加一般不太可能對(duì)信號(hào)完整性有很大影響。但對(duì)于高頻敏感電路,如高頻時(shí)鐘線路,應(yīng)考慮拐角寄生電容所產(chǎn)生的累加效應(yīng)[5]。

3 利用布線技巧抑制信號(hào)完整性問題

當(dāng)信號(hào)從驅(qū)動(dòng)源輸出時(shí),構(gòu)成信號(hào)的電流和電壓將互連線看作一個(gè)阻抗網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)信號(hào)沿阻抗網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí),它不斷感受到互連線所引起的瞬態(tài)阻抗變化。如果信號(hào)感受到的阻抗保持不變,則信號(hào)不失真。一旦阻抗發(fā)生變化,信號(hào)就會(huì)在變化處產(chǎn)生反射,并在通過互連線的剩余部分時(shí)發(fā)生失真。如果阻抗改變程度足夠大,失真就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的觸發(fā)。在信號(hào)完整性優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,┮桓霆重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是:將所有的互連線都設(shè)計(jì)成均勻傳輸線,并減少所有非均勻傳輸線的長(zhǎng)度,讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)所感受到的阻抗保持不變[1]。基于此,可以歸結(jié)出一些利用布線技巧抑制信號(hào)完整性問題的方法:印制導(dǎo)線的走線形狀不要纏結(jié)、分支或硬拐角,盡量避免T形線和樁線;盡量保持同一網(wǎng)絡(luò)信號(hào)線的線寬,減少線寬變化;減少傳輸線長(zhǎng)度,增大導(dǎo)線寬度;要盡量增大導(dǎo)線間的距離;盡量減少高速信號(hào)線的過孔及拐角,減少信號(hào)線的層間轉(zhuǎn)換;合理選擇過孔的尺寸大小;減小信號(hào)環(huán)路面積及環(huán)路電流。

總之,任何改變橫截面或網(wǎng)絡(luò)幾何形狀的特征都會(huì)改變信號(hào)所感受到的阻抗。布線中減少信號(hào)完整性問題的重點(diǎn)就是減少傳輸線上的阻抗突變,讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)所感受到的阻抗保持不變。

4 結(jié) 語

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,信號(hào)完整性成為嵌入式系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)極其重要的內(nèi)容,影響著整個(gè)PCB設(shè)計(jì)的成敗。在電路確定、元器件選定、PCB布局確定的情況下,可通過布線技巧來抑制信號(hào)完整性問題的出現(xiàn),提高 PCB的可靠性,將信號(hào)完整性問題引發(fā)的損失降到最低。

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第7篇：電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)；節(jié)能環(huán)保；供電照明方案

引言

隨著不可再生資源的日漸減少及緊張形勢(shì)，可再生資源領(lǐng)域的深入研究、發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)成為了當(dāng)前科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)前，中國(guó)的能源情況并不樂觀，因此我們對(duì)新能源的深入研究及應(yīng)用發(fā)展顯得刻不容緩。太陽能、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)日漸可靠化、獨(dú)立化、成熟化，作為本領(lǐng)域內(nèi)風(fēng)生水起的兩大新生力量，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到全球的很多行業(yè)，例如家用型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、家用型太陽能發(fā)電系統(tǒng)等，它們有著綠色環(huán)保、能源豐富、節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，但受其能源密度低、穩(wěn)定性差、不連續(xù)性等因素，往往被認(rèn)為效率低。中國(guó)處于北半球的季風(fēng)氣候區(qū)域，春季秋季兩個(gè)時(shí)節(jié)的風(fēng)能源與太陽輻射適中，夏季時(shí)節(jié)的風(fēng)能源小太輻射大，冬季時(shí)節(jié)的風(fēng)能源大太陽輻射小，結(jié)合此情況，正好可利用風(fēng)能與太陽能時(shí)間、空間的互補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能源輸出，由此風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)順勢(shì)而生。

傳統(tǒng)的港口供電照明系統(tǒng)主要由場(chǎng)區(qū)高桿燈照明、棧橋及轉(zhuǎn)運(yùn)站照明系統(tǒng)構(gòu)成，它們的電源一般直接取自于變電所或相應(yīng)的饋線回路，大部分變電所均采用雙母線分段運(yùn)行三合二形式，可以保證供電的持續(xù)性，但長(zhǎng)期運(yùn)行從節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)適用方面考慮并不劃算，況且如果變電站主站出現(xiàn)問題或者外部供電線路出現(xiàn)問題，將無法保證場(chǎng)區(qū)所必須的供電照明等。引入風(fēng)電互補(bǔ)系統(tǒng)能夠有效地解決此類問題，能充分利用海邊的自然能源進(jìn)而得以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用的目的。本文通過對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的深入研究，從而實(shí)現(xiàn)將它融入到港口照明供電系統(tǒng)的方案中，并且證明本方案的可行性。

1風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

1.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

常見的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由六大部分組成：

1）風(fēng)力發(fā)電部分：通過風(fēng)力機(jī)裝置將外界的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為自身的機(jī)械能，再通過內(nèi)置發(fā)電機(jī)將機(jī)械能合理地轉(zhuǎn)換為質(zhì)量較高的交流電，通過電力電子整流器轉(zhuǎn)化為直流電，再通過控制器的控制策略做出選擇，直接給直流負(fù)載供電，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，通過電力電子逆變器輸出交流電對(duì)負(fù)載供電；

2）光伏發(fā)電部分：通過太陽能電池板光伏陣列的光生伏打效應(yīng)將光能合理地轉(zhuǎn)換為質(zhì)量較高的直流電，然后通過電力電子DC/DC變換器后輸出，再通過再通過控制器的控制策略做出選擇，直接給直流負(fù)載供電，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，通過電力電子逆變器輸出交流電對(duì)負(fù)載供電；

3）逆變系統(tǒng)：由電力電子逆變器組成，可將輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足要求的交流電，從而輸出給交流電負(fù)載設(shè)備正常使用，該系統(tǒng)同時(shí)具有穩(wěn)壓功能，大大的改善了輸出電能的供電質(zhì)量；

4）控制器部分：該部分為整個(gè)系統(tǒng)的大腦中樞，投運(yùn)哪套發(fā)電系統(tǒng)由它決定，輸出決策也由它決定，同時(shí)它還負(fù)責(zé)各部分的功率跟蹤、蓄電池的充放電控制、保護(hù)顯示等。它可以根據(jù)環(huán)境的陽光輻射強(qiáng)度、風(fēng)能源的大小及負(fù)載的需求變化，通過內(nèi)部的控制策略，不斷調(diào)整蓄電池組的工作狀態(tài)，在對(duì)直流或交流負(fù)載供電的同時(shí)，把多余的電能輸入到蓄電池組以便存儲(chǔ)。當(dāng)周圍環(huán)境不佳的情況下，發(fā)電量不能滿足用電負(fù)載的需求，此時(shí)控制器會(huì)通過控制策略判斷，從而調(diào)整蓄電池的狀態(tài)，將儲(chǔ)存的電能送往負(fù)載，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性、穩(wěn)定性、連續(xù)性和安全性；

5）蓄電池組部分：作為該系統(tǒng)的備用電源倉(cāng)庫，由多塊蓄電池串聯(lián)組成，在本發(fā)電系統(tǒng)中起到能量?jī)?chǔ)存、能量調(diào)節(jié)、能量供給、平衡負(fù)載等作用。

6）負(fù)載：作為用電的終端，包括直流負(fù)載、交流負(fù)載、泄荷負(fù)載等。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理如圖1所示。

1.2 風(fēng)力發(fā)電部分

風(fēng)能的特點(diǎn)主要有能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風(fēng)地帶、無污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運(yùn)輸、可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等[1]。

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般由下列幾部分組成：風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)速和調(diào)向機(jī)構(gòu)、停車機(jī)構(gòu)、塔架及拉索等[2]。

（1）風(fēng)輪

小型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪一般由2到3片葉片構(gòu)成，它是將外界的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵部件，材質(zhì)主要由復(fù)合材料構(gòu)成。

（2）發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)通常采用永磁式交流發(fā)電機(jī)，此部位是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的重要部件。

（3）調(diào)向機(jī)構(gòu)

為了更好的獲得風(fēng)能，風(fēng)機(jī)需要及時(shí)根據(jù)風(fēng)況調(diào)整迎風(fēng)方向，小型風(fēng)電機(jī)組一般采用尾翼結(jié)構(gòu)來調(diào)整方向。

（4）調(diào)速機(jī)構(gòu)

風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)并非越快越好，轉(zhuǎn)動(dòng)過快會(huì)造成飛車現(xiàn)象從而損壞各個(gè)部件，合理的調(diào)整轉(zhuǎn)速才能使系統(tǒng)穩(wěn)定而合理地輸出機(jī)械能，小型風(fēng)電機(jī)組一般采用側(cè)偏式風(fēng)輪調(diào)整；

（5）停車機(jī)構(gòu)

風(fēng)速較大時(shí)，小型風(fēng)電機(jī)組需停機(jī)，目前常采用側(cè)偏停機(jī)機(jī)構(gòu)停機(jī)，一般在尾翼機(jī)構(gòu)固定一根軟繩。

1.3 光伏發(fā)電部分

光伏陣列能夠有效地、穩(wěn)定地將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，一般由多個(gè)太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)并聯(lián)組合構(gòu)成。太陽能電池是光伏發(fā)電的最基本單元，種類有三種：?jiǎn)尉Ч杼栯姵?、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池[3]。單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換率最高，但成本也最高；相比較，多晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換率較高，價(jià)格便宜，是現(xiàn)在最常見的材料；而非晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率最低，生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單。目前，以晶硅材料為基礎(chǔ)的高效電池和薄膜電池是基礎(chǔ)研究工作的熱點(diǎn)課題[2]。原理是電池板利用光伏效應(yīng)（光生伏打效應(yīng)）將太陽能高效地、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換成電能。光生伏打效應(yīng)是半導(dǎo)體在吸收光能后， P-N結(jié)上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。

1.4 逆變系統(tǒng)

逆變系統(tǒng)是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的系統(tǒng)，它的轉(zhuǎn)換效率直接體現(xiàn)了負(fù)載的使用效率，從而在可行性、穩(wěn)定性、安全性、濟(jì)性影響了整個(gè)系統(tǒng)。逆變系統(tǒng)通常由數(shù)臺(tái)逆變器構(gòu)成，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉弦蟮慕涣麟姡瑸樨?fù)載設(shè)備提供正常的電能，同時(shí)還具備自動(dòng)穩(wěn)壓等保護(hù)功能，由此可大大改善該系統(tǒng)的效率。

1.5 控制器部分

控制器部分主要由主電路板、控制電路板、電路構(gòu)成，是整個(gè)系統(tǒng)的中心部位。

主電路板通常由整流器、變換器、防反充二極管等構(gòu)成。控制電路板作為整個(gè)系統(tǒng)的大腦中樞，多為單片機(jī)。電路通常由驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路、保護(hù)電路、電流采樣電路、電壓采樣電路、輔助電源電路等構(gòu)成。

發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能經(jīng)過整流器整流和穩(wěn)壓電容、控制系統(tǒng)處理后給蓄電池充電。風(fēng)速過高時(shí)，輸出電壓往往大于蓄電池電壓，控制系統(tǒng)一般會(huì)通過輸出脈沖（PWM）來控制電路通斷，從而使多余的能量轉(zhuǎn)移到卸荷電阻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的保護(hù)。為確保太陽能電池板的單向?qū)щ娦?，防止發(fā)電系統(tǒng)輸出的整流電壓和蓄電池電壓對(duì)光伏陣列反向灌充，控制系統(tǒng)一般裝設(shè)防反充二極管?？刂葡到y(tǒng)中的二極管、保險(xiǎn)絲構(gòu)成了短路回路，蓄電池接反時(shí)，會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲，從而切斷電路以實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的作用。為抑制mosfet管因過壓、過流產(chǎn)生的開關(guān)損耗，控制系統(tǒng)主電路通常由兩個(gè)具有緩沖電路的輸出并聯(lián)的變換器。主電路是由光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主電路兩個(gè)互相獨(dú)立輸出端并聯(lián)的buck電路組成。電路中通常會(huì)存在分布電感、感性負(fù)載等，當(dāng)mosfet管關(guān)斷時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電壓，因此采用緩沖電路來預(yù)防浪涌電壓。

1.6 蓄電池部分

蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)的能量倉(cāng)庫，是系統(tǒng)正常工作的能源基地。風(fēng)能、光能充沛情況下，可以儲(chǔ)存多余的電能，在欠缺的情況下，可以為負(fù)載提供充足的電能，同時(shí)作為兩大發(fā)電系統(tǒng)的“中樞”可以合理地調(diào)配以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)作用。蓄電池的濾波作用能構(gòu)使系統(tǒng)輸出的電能更加平穩(wěn)。目前市面上本系統(tǒng)采用的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池和堿性鎳蓄電池。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，儲(chǔ)能方式多元化，超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、燃料電池等新技術(shù)已經(jīng)日漸成熟。綜合經(jīng)濟(jì)型、便捷性、維護(hù)性、穩(wěn)定性等條件，目前本系統(tǒng)采用鉛酸蓄電池比較常見。

1.7 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠很好地克服風(fēng)能、太陽能的隨機(jī)性和間歇性的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不間斷發(fā)電供電，與單獨(dú)的風(fēng)電系統(tǒng)、光電系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢(shì)[4]。系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

1.兩種能源較為豐富，良好的互補(bǔ)性能夠輸出穩(wěn)定的、可靠的、合格的電能供負(fù)載使用。

2.通過兩大系統(tǒng)互補(bǔ)，可以減少原有單個(gè)系統(tǒng)的配置容量，從而大大縮減了投入成本。

3.合理利用可再生資源可以減少火電、核電供給的電量，在環(huán)保節(jié)能方面做出重大貢獻(xiàn)。

4.可以合理地規(guī)避由于市電故障導(dǎo)致的供電問題。

1.8 結(jié)合港口供電照明系統(tǒng)的分析

現(xiàn)港口供電照明系統(tǒng)中能夠引入風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的主要為小負(fù)荷回路，具體體現(xiàn)在普通照明、應(yīng)急照明、維修電源等，我們可以根據(jù)現(xiàn)有的港口進(jìn)行如下分析：

1、成本分析

現(xiàn)某港口配備500盞400w高壓鈉燈，500盞250w高壓鈉燈，現(xiàn)將400w、250w高壓鈉燈分別替換為150w、100w LED燈具，并引入風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，每年大概可以節(jié)省350萬度電，雖然在前期引入此套設(shè)備增加了投入成本，但隨著此類產(chǎn)品的成熟化、穩(wěn)定性，幾年內(nèi)就可通過節(jié)省市電的使用來實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2、方案難點(diǎn)分析

由于港口領(lǐng)域還未引入過風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，所以從初期設(shè)計(jì)階段就要結(jié)合以下方面進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和選型：

1）蓄電池容量的計(jì)算

2）不同高度和不同地點(diǎn)的風(fēng)速儀選型

3）風(fēng)力發(fā)電量

4）光伏發(fā)電量

5）控制策略的搭建

2結(jié)論

通過前面的闡述和分析，可以看出風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，它在港口工業(yè)領(lǐng)域的引入可以減少不可再生資源的消耗，同時(shí)提高可再生資源的利用率，減少對(duì)環(huán)境的污染，大大保證了港口供電照明的持續(xù)照明問題，提高了運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)型、安全性、穩(wěn)定性?？傊?，隨著工業(yè)發(fā)展的需求、時(shí)代腳步的前進(jìn)、國(guó)家新能源政策的號(hào)召，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)必將引入到港口工業(yè)領(lǐng)域的供電照明系統(tǒng)內(nèi)，并且成為一道靚麗的風(fēng)景。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃素逸.能源與節(jié)能技術(shù)，北京：北京中國(guó)電力出版社，2004.4

[2]李俊峰.風(fēng)力12在中國(guó)，北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社，2005.5

第8篇：電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：吸收式開關(guān)；開關(guān)矩陣；隔離度

1概述

開關(guān)矩陣中開關(guān)模塊電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是保證駐波比很低的情況下，盡可能的降低插損，實(shí)現(xiàn)高隔離度和整體低功耗[1]。隨著開關(guān)矩陣在通信接收系統(tǒng)的大量普及和發(fā)展，應(yīng)用于開關(guān)矩陣系統(tǒng)的核心控制單元開關(guān)模塊需求越來越大，同時(shí)對(duì)于開關(guān)模塊的設(shè)計(jì)也提出了越來越高的要求[2]。表1給出了國(guó)內(nèi)外常規(guī)開關(guān)模塊指標(biāo)。本文著重介紹了一款應(yīng)用于中頻4×4開關(guān)矩陣的開關(guān)模塊電路。中頻是指頻率范圍在50MHz~180MHz[3]。實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國(guó)內(nèi)外常規(guī)開關(guān)模塊，其具有插損小，駐波性能好，低功耗，隔離度優(yōu)異的特點(diǎn)，十分契合開關(guān)矩陣對(duì)于核心控制單元開關(guān)模塊的需求。本設(shè)計(jì)中的一個(gè)突出特點(diǎn)是除了DB9（一種常用數(shù)控接頭）控制接口，還預(yù)留了一個(gè)手動(dòng)控制接口，當(dāng)上位機(jī)控制實(shí)效時(shí)，可以采用手動(dòng)控制進(jìn)行應(yīng)急處理。優(yōu)化的版圖布局為開關(guān)模塊的使用和系統(tǒng)安裝提供了便利；整個(gè)開關(guān)模塊性能良好，穩(wěn)定性優(yōu)異，已達(dá)到實(shí)用水平[4]。

2設(shè)計(jì)方案與原理圖

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)模塊是應(yīng)用于中頻4×4矩陣的核心控制部分，由開關(guān)部分，電源供電部分，接口部分三大部分組成[5]。本設(shè)計(jì)的開關(guān)模塊原理圖如1所示。圖1所示為開關(guān)部分原理圖，芯片選型：選擇的開關(guān)核心芯片采用的是ADI（AnalogDevicesInc）公司的ADG904SP4T開關(guān)。ADG904開關(guān)芯片的插損1dB以下，隔離度40dB以上，供電電壓范圍為：1.65V~2.75V，低功耗設(shè)計(jì)電流在1uA以下。SP4T是指四選一開關(guān)。ADI和Hittite在開關(guān)芯片技術(shù)方面都比較成熟，其中Hittite的HMC344LC3芯片是一款與ADG904類似的芯片，兩款芯片基本上都能滿足在中頻頻段（50MHz~180MHz）開關(guān)設(shè)計(jì)開發(fā)的性能，但是ADI公司的ADG904是吸收式開關(guān)，該芯片的任意一個(gè)端口，當(dāng)不被選通的時(shí)候，內(nèi)部自動(dòng)添加上一個(gè)50ohm的負(fù)載，能夠吸收不需要的反射波，能夠進(jìn)一步優(yōu)化駐波比指標(biāo)。這個(gè)功能Hittite的HMC344LC3不具備。同時(shí)ADG904的插損比HMC344LC3的插損要更小，隔離度方面兩者類似，所以綜合來看，ADI公司的ADG904在該設(shè)計(jì)中更具優(yōu)勢(shì)。圖2所示為供電部分原理圖，電源芯片選用ADI公司的低噪聲LDO芯片，LDO是指低壓差線性電源。型號(hào)為ADP7104，實(shí)現(xiàn)對(duì)整板的供電。芯片選型，選擇ADP7104電源芯片的主要原因是：該芯片輸出電源紋波小（小于15uV），效率高，功耗小，電壓精度高（±0.8%）帶過流過溫保護(hù)以及反向電流保護(hù)，同時(shí)芯片封裝面積小，節(jié)省PCB（印制電路板）板面積。降低成本。圖3所示為接口部分原理圖，本開關(guān)模塊設(shè)計(jì)的一個(gè)突出特點(diǎn)是通過DB9接頭可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)開關(guān)的控制，同時(shí)在上位機(jī)不能正常工作的情況下，通過預(yù)留的2×5插針接口，只需要簡(jiǎn)單的添加跳線帽就可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。附加的手動(dòng)控制2×5插針接口方便了對(duì)開關(guān)模塊的調(diào)試以及提供了上位機(jī)控制失效時(shí)的應(yīng)急處理方案。

3PCB布局

本設(shè)計(jì)的PCB布局圖如下所示：從圖4和圖5的PCB布局圖可以看出本設(shè)計(jì)布局圖的特點(diǎn)：保證任意兩路射頻信號(hào)間有接地面進(jìn)行隔離；射頻信號(hào)與DC直流信號(hào)有接地面或者介質(zhì)層進(jìn)行隔離。同時(shí)將四路射頻輸入信號(hào)都規(guī)劃在了整版的左側(cè)，輸出射頻信號(hào)和控制信號(hào)都規(guī)劃在整版的右側(cè)，這樣的PCB布局設(shè)計(jì)可以方便該模塊的外部結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，矩陣系統(tǒng)由于內(nèi)部涉及模塊較多，安裝難度很高，該開關(guān)模塊設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化的版圖布局為開關(guān)模塊應(yīng)用于矩陣系統(tǒng)時(shí)的安裝提供了便利。

4測(cè)試結(jié)果

完成電裝、調(diào)試后，對(duì)該開關(guān)模塊整個(gè)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。RF1，RF2，RF3，RF4分別為四路射頻輸入端，RFC為開關(guān)輸出端；RF1-RFC對(duì)應(yīng)表示開關(guān)選通RF1到RFC的通路，其他3個(gè)通路為斷路。該模塊是應(yīng)用于中頻4×4矩陣的開關(guān)模塊，所以對(duì)開關(guān)模塊的插損、隔離度以及端口駐波要求較高，本模塊實(shí)測(cè)結(jié)果插損都在0.5dB以下，各端口駐波比都在1.2以下，同時(shí)隔離度都在45dB以上，功耗2.5mW（電壓2.5V，電流1mA），符合矩陣對(duì)于上述指標(biāo)的需求。

5結(jié)論

第9篇：電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：PIN開關(guān);匹配;隔離;寬帶

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-169-02オ

Design of Ultra-wideband Microwave Matching PIN Switch Circuit

CHEN Chuanjun

(Jinling Institute of Technology,Nanjing,210001,China)オ

Abstract：High speed,ultra-wideband and microwave matching PIN multi-throw switch is one of the important apparatus widely applied in communication,radar and electronic counter systems.This article introduces principle of PIN,analyses the factor considered when design switch circuit using PIN.Then,a single-pole five-throw matching PIN switch circuit at 1～18 GHz is designed.Through testing,the main performances of an insertion loss of less than 3.5 dB,the isolation of more than 60dB and the switch time of less than 30ns are obtained.

Keywords：PIN switch;matching;isolation;widebandオ

1 引 言

微波開關(guān)是用于控制微波信號(hào)傳輸路徑及信號(hào)大小的控制器件之一，在微波技術(shù)的許多領(lǐng)域中有著廣泛的用途。

微波控制電路的各種控制功能是通過控制元件來實(shí)現(xiàn)的，目前采用的控制元件主要是半導(dǎo)體器件及鐵氧體器件，由于半導(dǎo)體器件具有控制功率小、速度快及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此他的應(yīng)用比鐵氧體器件廣范得多。微波半導(dǎo)體控制器件主要有PIN管、變?nèi)莨芎托ぬ鼗埽捎赑IN管具有可控功率大、損耗小及正反偏下能得到近似短路和開路特性，所以在微波應(yīng)用系統(tǒng)中絕大多數(shù)的控制電路中都采用PIN管。

2 PIN管

PIN二極管是一種PIN結(jié)器件，在P型和N型兩個(gè)重?fù)诫s接觸區(qū)之間有一極小的輕摻雜或非摻雜I區(qū)，就得到了對(duì)某些器件應(yīng)用來說十分需要的特性，在反偏時(shí)I區(qū)將導(dǎo)致極高的二極管擊穿電壓，而器件電容是通過增大P區(qū)和N區(qū)的距離來減小的，此時(shí)PIN管對(duì)微波信號(hào)有極高的阻抗。在正向偏置時(shí)，I區(qū)的電導(dǎo)率由末端區(qū)注入電荷來控制的，在PIN管通以適當(dāng)?shù)恼螂娏鲿r(shí)，顯示很低的阻抗。PIN管是一種低失真的偏流控制電阻器，且具有良好的線性性能，在微波電路中有著廣泛的應(yīng)用，用他可以完成調(diào)幅、衰減、校準(zhǔn)電平等功能，可制成極好的開關(guān)、衰減器。

3 PIN開關(guān)電路設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用PIN管設(shè)計(jì)開關(guān)電路應(yīng)考慮的因素

PIN正反偏下不同的阻抗特性，可用來控制電路的通斷，組成開關(guān)電路。根據(jù)PIN管與傳輸線的不同鏈接方式，開關(guān)可分為并聯(lián)型和串連型兩種，對(duì)于并聯(lián)型開關(guān)，管子呈高阻時(shí)對(duì)傳輸功率影響甚微，插入衰減很小，相當(dāng)于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，管子呈低阻抗時(shí)，傳輸功率大部分被反射回去，插入衰減很大，相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)；對(duì)于串連型開關(guān)，情況恰好相反。

在實(shí)際設(shè)計(jì)微波PIN開關(guān)電路時(shí)，應(yīng)考慮如下幾個(gè)因素：

(1) 由于單管開關(guān)的隔離度和帶寬比較小，若要取得更高的隔離度和更寬的頻帶，就需采用多管級(jí)聯(lián)，組成陣列式開關(guān)；

(2) 由于并聯(lián)型開關(guān)有散熱條件好等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中又多采用并聯(lián)型開關(guān)；

(3) PIN開關(guān)與終端負(fù)載的連接可分為兩種形式，即并聯(lián)終端形式和串連終端形式。前者的偏置電路部分比后者復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)更為困難，所以一般多選串聯(lián)終端形式。

綜合上述3種因素，我們?cè)O(shè)計(jì)的單刀五擲PIN開關(guān)采用多管并聯(lián)級(jí)聯(lián)，而終端為串聯(lián)終端電路，電路如圖1所示。

圖1 單刀五擲匹配開關(guān)電路原理圖

3.2 并聯(lián)級(jí)聯(lián)陣列式開關(guān)衰減性能分析

在忽略PIN管串聯(lián)電阻的影響下，設(shè)PIN管的歸一化電納為JB~;兩管之間的距離為L(zhǎng)，電長(zhǎng)度=βL,г蛉個(gè)PIN管并聯(lián)開關(guān)的衰減為：

オ

L[WB]=10lgcos 2θ-3B~2sin 2θ+Bsin2θ~2+[JB)]

[DW] [JB(](1-B2~)sin 2θ+3B~2cos 2θ+B~32sin2θ2

И

若已知PIN管正反偏下的歸一化電納及電長(zhǎng)度，就可以從上式求出開關(guān)的插損和隔離度。為使開關(guān)有良好的性能，θ不能隨意取，在實(shí)際中一般是以最小插損和最大隔離度條件下綜合考慮確定θ值。

開關(guān)通斷時(shí)的衰減由兩部分組成，反射衰減和管子損耗，因管子損耗很小可忽略，故損耗全部為反射損耗，要使插損最小，須使開關(guān)反射系數(shù)為零，故最小插損條件為：

И

θ=tg-1(2/B~-)

И

因反射波互相抵消，衰減為零。若令:

И

θ/=π2+tg-1(2/B~-)

И

則兩PIN管反射波相位差和輸入波相位相差180°，兩管反射波由相互抵消變?yōu)橄嗷サ樱瑥亩玫阶畲蟾綦x。

所以插損最小時(shí)應(yīng)取間距為：

И

L=λg2πtg-1(2/B~-)

И

為獲得最大隔度，應(yīng)取間距為：

И

L/=λg4+λg4πtg-1(2/B~+)

И

其中B~+,B~-分別是PIN管正、反偏下的歸一化電納。一般情況下，L≠L/，ё钚〔逅鷙妥畬蟾衾胩跫不能同時(shí)滿足，在設(shè)計(jì)時(shí)必須兼顧選擇。

3.3 微波PIN開關(guān)電路工作狀態(tài)分析

由于開關(guān)具有兩種工作狀態(tài)，即傳輸狀態(tài)和隔離狀態(tài)，對(duì)于匹配開關(guān)，在這兩種工作狀態(tài)下都應(yīng)該具有良好的駐波特性，下面我們對(duì)這兩種狀態(tài)分別進(jìn)行分析。

(1) 傳輸狀態(tài)

在圖1電路中，當(dāng)B1加反偏，其余偏置端加正偏時(shí)，端口J1為傳輸狀態(tài)，其余端口均為隔離狀態(tài)。若并聯(lián)PIN管的反向結(jié)電容為CJ，正向等效電阻為RS。引線電感為L(zhǎng)S，串聯(lián)PIN管的反向結(jié)電容為CJ0，正向等效電阻為RS0，г虼聳笨關(guān)電路的等效電路為圖2所示。

圖2 B1加反偏其他加正偏等效電路圖

由于四個(gè)隔離支路中串聯(lián)PIN管反偏結(jié)電容全部被并入了傳輸支路的輸出端(即公共端口)，從而引起公共端口嚴(yán)重的不連續(xù)性。為了補(bǔ)償這種不連續(xù)性，以獲得良好的匹配，應(yīng)在公共端口引入一個(gè)采用高低阻抗傳輸線構(gòu)成的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)就可獲得較好的傳輸匹配性能。再采用TOUCHSTN軟件對(duì)PIN匹配開關(guān)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即可得到電路各元件值。

圖3 傳輸狀態(tài)支路阻抗匹配等效電路

(2) 隔離狀態(tài)

一旦設(shè)計(jì)完傳輸狀態(tài)下的電路參數(shù)，也就確定了隔離狀態(tài)支路的性能。圖4為隔離狀態(tài)支路的等效微波電路。要想使隔離端口獲得高的隔離度，同樣可以設(shè)計(jì)一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)接入隔離端口，使隔離端口近似端接一個(gè)匹配負(fù)載即可。

圖4 隔離狀態(tài)支路阻抗匹配等效電路

4 結(jié) 語

根據(jù)以上分析研究，采用0.01英寸厚的RT/Duroid5880介質(zhì)材料的微帶電路結(jié)構(gòu)，并用導(dǎo)電膠將微帶電路板和腔體粘接在一起，制作成性能良好的超寬帶微波單圖2 單刀五擲開關(guān)駐波測(cè)試曲線

圖6 單刀五擲開關(guān)插損測(cè)試曲線

刀五擲PIN開關(guān)，該開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊、小巧，經(jīng)測(cè)試在其工作頻率1~18 GHz范圍內(nèi)，插損小于3.4 dB，隔離度大于60 dB，駐波系數(shù)(通、斷)小于2.3 dB，開關(guān)時(shí)間小于30 ns。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］顧墨琳.微波固體電路設(shè)計(jì)\[M\]. 南京:機(jī)械電子工業(yè)部第十四研究所,1991.