电路板优化设计精选(九篇)

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第1篇：电路板优化设计范文

关键词： 热分析； 傅里叶变换； 最优布局； 有限元分析

中图分类号： TN305.94?34 文献标识码： A 文章编号： 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

手持式干扰机以其体积小、隐蔽性好、重量轻和性能优良等显著特点成为干扰卫星信号的首选。但随着手持式干扰机体积的缩小，其内部元器件集成度越来越高，系统温度也随之越来越高。据统计，电子设备的主要失效形式就是热失效。随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长[1]。因此，对手持式干扰机电路板进行热设计，提高电路的可靠性和寿命具有重要意义[2]。

电路板温度升高的主要因素有以下几个方面：电子元器件布局密集、使用大功率集成芯片、电子设备长时间工作等[2]。目前，通常采用大量的仿真求解热传导方程，然后通过改变某一个变量来了解其变化趋势，马静等人通过元器件的布局优化分析得到了合适的布局方案，对比分析了考虑散热措施时的温度场分布[3]，但是这种利用仿真的方法很难展现出其数学趋势，并且需要大量的仿真工作。Wang P等人解释了傅里叶级数的多个热源，但是并没有分析其几何效应的趋势[4]。

本文提出一种傅里叶级数的热阻分析方法，将不同布局下的芯片对热阻的影响归结到热阻的系数矩阵上，利用改变芯片位置的方法将热阻值控制到最小。最后通过有限元分析软件ANSYS对布局优化结果进行分析，以仿真实验的方法验证了所提出的热布局优化方法的有效性。

1 热模型简化分析

1.1 模型简化假设

对手持式干扰机模型的假设包括两个方面：一是对手持式干扰机电路板元器件简化的假设；二是散热条件的假设。

对手持式干扰机的电路板简化包括两个部分的内容：对SMC/SMD的合理简化；对PCB电路板的合理简化。首先考虑对SMC/SMD的简化替代。小外形的片式电容器、电阻器，由于其体积小，热容量小，在工作中产生的热量可以忽略，在进行计算时可将其作为质量点加入到PCB基板上[5]。对于规则外形的发热元器件，在计算时忽略其引脚以规则的几何外形代替[6]。对于电路板的简化，主要考虑其层数以及电路板上金属布线对材料参数的影响。对于单一材料，其材料参数是各向同性的，但对于有金属布线以及多层电路板，其材料参数将呈现各向异性[7]。对于各向异性材料的电路板，将采用平均材料参数的方法对其进行简化。

对散热条件的假设也包括两部分内容。考虑到电路板的两种散热途径：通过热传导将热量分散到电路板上；通过热对流将热量分散到空气中。在兼顾精度和计算量的情况下，对于给定材料的电路板，其热传导系数假设为常数；热量在空气中的热对流系数假设为常数。因此，本文的分析中只考虑热传导、生热率、对流系数和温度这4个条件。

1.2 热简化模型的建立

在对手持式干扰机电路板进行简化假设后，需要对电路板建立简化模型。手持式干扰机电路板上主要有三个发热芯片，分别为控制芯片、信号产生芯片和功放芯片。控制芯片为STM32F103，信号产生芯片为AD9854，功放芯片为TRF37C75，其具体尺寸和功耗见表1。

4 结 论

本文对影响热阻的因素进行分析，通过将热阻扩展成傅里叶级数的形式确定热阻大小与发热芯片位置的关系，得到了手持式干扰机电路板中芯片的最优布局方案。根据优化方案，利用有限元分析软件对优化前后的电路板最高温度进行定量分析。结果表明，通过改变发热芯片的位置可以有效降低手持式干扰机电路板的最高温度，为低功耗小型化手持设备的电路板热布局优化提供了一种有效方法。

参考文献

[1] 陈星，华桦，何凯，等.红外焦平面探测器封装结构热应力分析[J].激光与红外，2014（6）：645?648.

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[3] 马静.基于ANSYS的板级电路热分析及布局优化设计[J].电子器件，2013（6）：802?805.

[4] WANG P， BAR?COHEN A， YANG B， et al. Analytical mode?ling of silicon thermoelectric microcooler [J]. Journal of applied physics， 2006， 100（1）： 1?13.

[5] 张岩，董刚，杨银堂，等.考虑通孔横向热传输效应的三维集成电路热分析[J].计算物理，2013（5）：753?758.

[6] 田少欣，苏中，马晓飞，等.非完全阵列分布的电子元器件的热布局优化[J].电子元件与材料，2012（8）：69?71.

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第2篇：电路板优化设计范文

【关键词】电子产品结构工艺 学做一体 设计 制作

《电子产品结构工艺》是一门综合性的应用型边缘学科，专业理论和实践性都很强。职高生学习有困难。在多年教学中，笔者尝试实行“学做一体”的教学模式，借助项目式教学，通过一套行之有效的教学方案，把课程各章节抽象的理论知识融合进实践项目的各个实施阶段。这样的优化设计降低了学习难度，提升了教学效果。

为了更好地从学生出发，优化教学过程和内容，由实践到理论，提高课堂教学有效性，本人设计了《电子产品设计与制作任务书》，以指导教学实践。

1.目的与要求

通过一个简单的电子产品的整机设计与制作，全面了解电子产品的开发与生产过程，巩固和提高学生的电路设计能力、PCB板设计和PCB板的制作能力，电子元器件的选择与检测能力，电路安装能力与电路的调试及检修能力等等，以检测学生知识的掌握程度和综合能力，同时也了培养适应电子企业相应岗位的能力。

2.任务：完成一个实用电子产品的PCB板设计与整机制作。

3.具体任务操作

（1）选定一个简单的电子线路。写出其性能指标及电路功能。

（2）按照元件清单，选择电子产品材料。

（3）设计PCB板。PCB板大小根据选定电路具体情况而定。要求打印出电子产品原理图、印制电路板图、元件清单，并有布局和布线说明、基本电气检测（ERC）及设计规则检测（DRC）结果说明。注意元件封装必须与实际元器件相符。

（4）PCB制作。要有制作过程说明。

（5）电路组装应符合工艺要求，既考虑电气性能要求又考虑美观要求。

（6）电路调试并写出调试报告。检测、调试的过程，方法及调试的结果。

4.组织方法

分组教学，3人一组，选定一个电路，每人独立完成PCB板的设计，选出设计最好的印制电路板制作出电子产品。

5.具体实施时间安排

6.考核评价（每个任务评价，老师与学生评分各占50%）

7.课题举例（学生可另选）

（1）直流稳压电源；

（2）闪光灯电路；

（3）晶闸管调光电路；

（4）晶体管延时电路。

8.课题报告（格式）

（1）封面。

（2）设计任务书。

（3）课题内容（包括课题目的、课题选用器材、设计总体方案、电路原理图、PCB设计图、PCB制作过程说明、整机调试原理、方法及性能指标、整机维修过程说明等）。

（4）整机特点、功能和使用说明。

（5）课题总结。

下面以《直流稳压电源印制电路板的制作及装配》为例，具体说明“边做边学、学做一体”的实施方法和过程。

1.课程设计思路

电源电路是一切电子设备的基础。由于电子技术的特性，为电子设备提供稳定的直流电能的直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。学生在之前的《电子线路》学习中已对直流稳压电源有所了解，加上直流稳压电路比较简单，便于实践操作，故将此电路作为学生学习《电子产品结构工艺》的实例。

2.课前准备工作

稳压电源散件一套、覆铜板一块、腐蚀液（三氯化铁水溶液）、烙铁一把、毛笔、电钻、装配工具等

3.预备知识：覆铜板

（1）覆铜板是制作PCB板的材料，一般选用的是1.5mm和2.0mm的覆铜板。

（2）根据覆铜面的不同又分为单面覆铜板、双面覆铜板、多层覆铜板。本课题只需采用单面板。

4.任务一：印制电路板的设计

（1）选择电路图及理论知识回顾：电路原理分析，计算输出电压的范围。

（2）绘制电路原理图（PROTEL DXP2004）

电路原理图、元件清单、ERC、DRC检测。

（3）绘制印制电路板（PCB）图。

①元件封装必须与实际元器件相符。

②合理安排电路中的元器件。

③选择合适的导线安全间距和走线宽度。

5.任务二：印制电路板的制作

（1）覆铜板的处理

根据电路选好一块大小合适的覆铜板，去掉氧化层，将覆铜板四周打磨平整。

（2）图形转印（由于实习条件的限制，我们采用手工描绘法）

具体操作：将设计好的PCB的图纸通过打印机按照1：1比例打印出来，然后通过复写纸印到覆铜板上。用耐水洗、抗腐蚀的油性记号笔涂描焊盘和印制导线。本环节要求线条清晰、无断线、无砂眼、无短接，且耐水洗、抗腐蚀。

（3）腐蚀、钻孔

将自配的三氯化铁水溶液（三氯化铁和水可按1：2配制）腐蚀液放入塑料盒中，将待腐蚀的PCB板线路朝上放入盒内，用长毛软刷往返均匀轻刷，待不需要的铜箔完全消除后取出，清洗并擦干，再用电钻将PCB板钻孔和进行防表面氧化处理即可。

通过任务一和任务二的实施，学生对电子设备的防护的基本知识有了简单直观的认识，并且结合课程第三章内容能对电路的元器件进行较为合理的布局，又动手DIY了一块由自己设计的印制电路板，同时也基本掌握了简单的印制电路板的设计及制作过程，对本课程第四章印制电路板的结构设计及制造工艺有一定的了解。感兴趣的学生在制作自己的电路板过程中也开始研究企业双面孔金属化印制板和常规多层板的制作工艺。

6.任务三：稳压电源的焊接装配与调试

注意元器件装配流程及元件安装技术要求。

7.任务四：调试与检测

（1）安装完毕，经检查无误后方可通电调试检测。

（2）电压测量：测量三极管各极电位并判断其工作状态、电路输出电压可调范围。

（3）调试：本环节意在让学生明白电路调试的内容，能选择正确的仪器仪表，分析调试中出现的问题并进行排故，对调试数据进行分析处理，作出产品是否合格的结论，也要提出电

路改进的意见。

实践证明，以《电子产品设计与制作任务书》来实施教学，可以优化教学内容与教学过程，提高教学效率。在教学实践中，教师要根据教学内容的需要，制定切实可行的实施方案，激发学生学习动力，发挥学生主体作用，进而提高教学效率。

【参考文献】

[1] 董成春、郭玲玲. 加强实践教学，突出技能培养，《中国校外教育・A》，2011年第1期.

[2] 廖芳 主编.《电子产品制造工艺》，电子工业出版社，2007年.

[3] 王卫平 主编.《电子产品制造技术》，清华大学出版社，2005年.

[4] 陈森 主编.《印制电路技术》，化学工业出版社，2008年.

第3篇：电路板优化设计范文

关键词:模态仿真分析;航天电子产品;结构设计;ANSYS

中图分类号:TB115

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)09-0307-03

1 航天电子产品力学特点

航天电子产品结构的功能是维持设备的外部构型,提供内部电路板组件、独立的元器件及模块的安装空间,满足安装要求,确保在各种受载条件下元器件、组件的安全,其中力学设计是结构设计中最重要的内容之一。

航天电子产品所承受的载荷根据其力学特性可分为静载荷和动载荷,通常静载荷可以通过采取适当措施减小其影响。动载荷则比较复杂,航天器在地面到发射、进入轨道和返回地面的各阶段工作状态下要经受各种环境条件,都属于动载荷范畴,下表是航天器飞行过程中的动态激励特性。

POGO:液体火箭发动机的液体输送系统与火箭结构之间的液固耦合现象。

动载荷中的高频部分容易衰减,低频部分则不容易衰减,如果航天电子产品中的元器件或结构组件的固有频率与上述动态激励的频率相同,则容易引起共振,发生事故,所以航天电子产品的结构设计过程中必须尽量提高整体的基频。

模态分析的目的是确定航天电子产品结构的动态特性(固有频率和振型)。因为它一方面可以避免与电子元件及控制元件的频率共振,另一方面是其它动力响应分析的基础,为结构设计选型提供依据。

2 航天电子产品结构设计流程

航天结构设计的一般流程如图1所示。其中一个数值分析验证和试验验证两个反馈环节,其中的力学分析就包含模态分析,但此时模态分析的目的是检验详细设计后的结构是否满足基频的要求。一般从总体设计到详细设计中间环节往往凭设计人员的工程经验,如果到详细设计完成后的力学分析中发现问题,则需要重新进行详细设计,甚至可能需要对总体设计的进行更改。

同时,由于模态分析可以使用比较简单的模型,使用有限元分析便可得到结构的固有频率,需要的代价很小,且在结构详细设计之前增加一项模态分析能有助于结构的选型,可以提前发现问题,有效的减少结构设计的反复,并能为详细力学分析提供初始数据。结合实际工作提出如下结构设计的优化流程,具体如图2所示:

下文就通过一个实例来分析总体设计阶段增加模态分析的对于航天电子产品设计的重要作用。

3 模态分析理论基础

有限元的基本思想是将弹性体离散成有限个单元,然后据各单元节点的位移协调和节点力平衡,其动力学基本方程:

由于一般结构阻尼对结构的固有频率和振型影响极小,所以,求结构的固有频率和振型时,直接用无阻尼的自由振动方程求解,即:

因任意弹性体的自由振动都可分解为一系列的简谐振动的迭加:即结构上各节点位移为:

δ0为节点位移振幅向量(即振型),与时间t无关的位移幅值;

ω为与该振型对应的频率。

将节点位移代入动力方程,化简得广义特征值问题:

上式称为结构的特征方程。设计结构的自由度为n,则特征方程为ω的n次代数方程,其n个根称为特征值,记为ω21,…ω2n。

它们的平方根称为系统的固有频率,即ωr,r=1,…n

将这些固有频率从小到大依次排列为ω1≤ω2…ωn

最低的频率ω1称为基频,它是所有频率中最重要的一个。

对于有n个自由度正定系统,就得到ω2的n个大于零正实根。振型就是任一阶固有频率作简谐振动时,各频率对应的n个振幅值间所具有确定的相对比值,表示系统有一定的振动形态。由于篇幅所限其具体方法本文不再赘述。

4 模态分析应用实例

航天电子产品中电路板形状的选择是一个比较常见的任务,也是电路设计、结构设计和可靠性设计的基础。下面将就某仪器的三种电路板方案进行分析,来说明模态分析在结构选型过程中的应用。

4.1 有限元建模

本文模型建立过程中对其忽略电路板和元器件细节,在ANSYS有限元软件平台上,假设有效载荷和模块结构质量均匀分布。本文结合实际,选择三种面积基本相当的电路板形状作为备选,具体情况如下:

方案A的电路板为正方形,其对应的箱体为薄的、底面为正方形的箱体,如图3所示。

图3 方案A电路板外形和其可能对应的箱体外形图

方案B电路板选择为长方形,其对应的箱体是薄的、底面为长方形的箱体,相对于方案A,其特点是减小了面板面积,增加了长度,如图4所示。

图4 方案B电路板外形和其可能对应的箱体外形图

方案C则选择两层电路板布线,通过四颗支柱连接,其对应的箱体是比A、B两个方案高的正方形箱体,但减小了底面积,如图5所示。

三种方案各有优缺点,在没有其它设计约束的情况下,电路设计人员和结构设计人员要凭经验选择一种方案作为设计的输入,本文试图通过对三种电路板的模态分析试图找出其中的优劣,进而做出选择。

4.2 模态仿真分析

在ANSYS软件中我们利用3D-Elastic Shell 63和3D-Elastic Beam 4单元对电路板的连接杆进行模拟。输入实常数及材料常数,以Smartsizing网格密度的方式。电路板材料采用环氧酚醛层压玻璃布板,电路板连接结构采用2A12硬铝。

由于主要影响系统结构是最低几阶的固有频率,本例中我们取前5阶固有频率进行计算,具体计算过程从简,由于经过了适当简化,普通配置的台式机的计算时间一般只需要几秒钟。在相同的边界条件和物理属性参数的情况下,经过仿真计算,获得了三种不同方案的电路板结构的固有频率和振型,三种方案的基频和振型结果分别见表2,三种方案的第一阶振型和应力云图分别见图6、图7和图8。

4.3 模态分析结果

上述结果可以看到,方案A的固有频率最小为221.03Hz,方案B的固有频率最小为187.02Hz,固有频率均大于100Hz,且均未出现应力集中的情况均能符合要求。分析结果显示出正方形电路板方案的固有频率更高,对结构

设计更加有利。如果仅从模态分析考虑,电路板形状应该

选择方案A,且箱体选择薄的、底面为正方形的结构,如图3所示。

方案C的最小固有频率为23.10Hz,基频太低,与表1中动态激励中的低频部分重叠较多,容易引起共振而破坏系统结构。且方案C的产生的应力比前两个方案大,并且出现了应力集中的情况,薄弱环节出现在4根支柱的连接处,有可能在上下两层电路板的这8个点对造成直接的破坏,换句话说,要采用方案C则需要对两电路板进一步加固,或改为其他的双层固定方式,并同时解决固定支柱位置的应力集中问题。

4.4 讨论和说明

关于以上分析,还有以下几点需要总结和说明:

(1)通过上文分析,可以得出,方案A最优,可以作为下一步结构设计的输入,如果必须选C则应该另选其他的支撑形式,并且还要对连接处做进一步分析,处理好电路板上应力集中的问题;

(2)采用模态分析对航天电子产品结构选型有一定的指导意义,能从大量的方案种找出可能比较合理的方案,并为详细设计后的力学分析提供了初步的分析依据;

(3)模态分析仅仅是航天电子结构动力学分析的一种,也是其他动力学分析的基础,故模态分析数据良好并不能说明其他动力学分析可以忽略。反之如果模态分析出现问题,则必须认真分析结果,并采取措施提高基频;

(4)计算的时候仅考虑了电路板,忽略了元器件的重量和分布,忽略了电路板上覆铜层的特点,所以计算结果与实际可能有一定差别,但计算结果能对定性的分析构型的优劣提供可靠依据,对结构选型有一定的参考价值。且计算固有频率和振型结果,没有考虑阻尼等因素,还需进一步仿真分析修正和模拟空间环境模态分析试验验证。

5 结束语

航天电子产品结构设计过程中,使用有限元分析方法进行初步的模态分析可较方便的得到某一构型的基频和振型,为判断结构的优劣提供了依据,可以给电路设计和结构设计提供了初始的输入,也为进一步动态仿真分析和模拟空间环境模态分析试验验证提供了依据,由此可以看出,在总体设计阶段增加简单的模态分析可以以很小的代价获得最终产品的大致评价,对初始设计阶段的选型有一定的指导意义,可以减少设计的盲目性,可以改进航天电子产品结构设计流程。

参考文献

第4篇：电路板优化设计范文

关键词：智能照明 照明控制 节电 抗干扰

在人们日常生活中，各种家庭用具和办公需要采用智能系统方式日益增加，照明系统的多样性和各种环境的要求使得其不断的进行改进和完善。因此在当前的智能照明系统中应用形式多样，优化设计方法增多。智能节电控制系统是业内高科技企业与各个高效科研机构在国际结构能力的不断发展趋势上沿着国家节能环保需求发展，专门对人们生活中的各种用电领域进行开发和控制系统。该类智能节电控制系统在当前社会的应用中能够有效的降低成本控制，提高便捷性和相应的可靠性，在各种业务的扩展方面能够综合分析，在智能照明节能控制系统的发展基础上来对照明控制系统的各种干扰问题进行合理分析。

1、智能照明节电控制系统的种类及特点

随着我国经济的繁荣、科学技术的发展和社会不断进步，在人们生活中对各种生活物质要求不断提高，传统的照明系统在当前人们生活中已经无法满足人们的需求。人们迫切的希望在生活中能够用更加方便、更加放心甚至是随心所欲的控制方式来对各种照明系统要求进行控制，于是。智能照明控制系统便应运而生。由于实现了对电压的高度平滑调节，在应用的过程中使用智能照明控制系统用代替传统的照明系统能够有效的节约能源、降低经济破坏和器具损耗，使得灯内电弧更稳定，降压节能空间更大，而且在使用的时候对电驴的节约也越高。

但是在长期以来，由于人们在生活中对智能控制系统中的忽视，造成其在应用中各个系统设计和控制方式的不合理和不完善，在学校体系的节能和控制应用中各种方式和手段的不够严谨。在智能技术的控制应用中，我们应当扬长避短，使得在生活中各种设计焦点和重都能够进一步的提高，对电气设计能够进一步的满足人们生活需求。随着当前通讯技术、网络技术、传媒技术和信息技术的不断发展，在智能控制体系中，采用智能化和数字化一体应用，使得智能技术能够在当前人们生活的各个领域被应用。

2、系统抗干扰注意事项

对于此类产品，其实早已超过传统照明的范畴，由于控制部分所占比重较大，系统运行的稳定性、安全性自然而然地成为我们最为关心的问题。干扰对控制电路的影响，向来是每个控制系统设计者需要直面解决的问题，干扰是导致智能照明控制系统产生控制误差的主要原因之一，故笔者将从硬件和软件2个方面着重分析智能照明节能系统的抗干扰措施。

2.1无线通信模块PCB制作抗干扰

印制电路板（PCB板）由射频通信电路板和单片机控制电路板2部分组成，同时在应用的过程中能够影响到各个射频通信模板的性能要求，所以针对无线通信模块PCB制作抗干扰显得尤为重要。因此，电磁兼容性不仅要求具有一定抗干扰能力，而且尽量不产生电磁辐射。射频通信电路PCB板的布局为：（1）要使得PCB板上的射频通信模块PCB板与控制单片机系统的接口能够方便模块的物理连接；（2）考虑nRF905体积较小，且具有相对简单的元器，此时，再设计PCB板时要充分考虑以rlRF905芯片为中心，合理考虑nRF905芯片及元件的排列；（3）认真分析电路结构，对电路进行分块处理，充分考虑通信模块天线的位置，如系统采用单端连接的50n阻抗天线；（4）合理安排电路中易受干扰的部分元器件的布局，可以考虑单元电路在使用中对电磁兼容性敏感程度，同时还应该尽量避开干扰源，比如单片机控制板上单片机的干扰等。微电脑智能性集中补偿技术。采用单机或DSP芯片以及大规模集中电路作控制模块和数据采集模块，能自动跟踪电网无功功率变化，快速采样、运算并发出投切信号。开关模块采用大功率晶闸管实现电容器组的零电压投入和零电流切除，无浪涌电流冲击、无火花和谐波干扰。该技术作为新一代的集中补偿技术，目前已被广泛应用。为了保持PCB板的最佳性能，应该包括地网层，即对于nRF905直流工作电源来讲，除了在小电容旁并一个大的表贴电容如4.7胆电容外，还应该尽可能靠近VDD引脚并用高质量中电容滤波；同时，nRF905工作电源应进行滤波处理并与任何数字电路的电源分离，PCB板避免使用长电源线，器件的所有地VDD和VDD的旁路电容必须尽量靠近nF905芯片。当存在PCB板的地网层在上面的情况时，VSS引脚应该直接连接到地网层；如果PCB板的地网层在下面，最好的方法是在VSS引脚最近的地方打一过线孔，每个VSS引脚最少应有一个过线孔。考虑如何布线则是在实现元器件在PCB板上的合理布局后的另外一个重要问题，对于射频通信模块的电路，布线的走向、宽度、线间距的不合理设计，交叉干扰，系统电源自身仍存在的噪声干扰这些问题都将影响着整体，因此合理布线显得尤为重要。

2.2软件抗干扰

除了分析了硬件设计和PCB制作中抗干扰因素外，软件的抗干扰设计同样不容忽视，因此下面讨论了系统的抗干扰措施：如XXX公司生产的XXX产品智能控制系统采用AT98S52自带的看门狗，进行抗干扰操作，其原理和功能是：在单片机系统运行时，独立于CPU之外的看门狗通过检测单片机的状态信号，监视单片机的运行。一旦发现CPU的运行不正常：如出现程序跑飞、死循环等情况，它就会发出复位信号，强制单片机系统重新启动。AT89S52内部的看门狗包含一个14位计数器和看门狗定时复位寄存器（WDTRST）。将代码01EH和0EIH先后写入复位寄存器的地址为0A6H激活看门狗功能，看门狗的l4位计数器便启动计数。在品振有效下，计数器每个机器周期将加，当计数器计满（3FFFH）溢出时，单片机的RST引脚上输出高电平脉冲，单片机系统复位重启，从0000H开始重新执行程序。一旦看门狗被启动，除了硬件复位或看门狗溢出外，没有其他办法能使其停止计数，因此，为避免看门狗计数器不必要的溢出，在看门狗运行期间，系统将定时复位看门狗。

第5篇：电路板优化设计范文

关键词：印制电路板（PCB）正交表因素水平参数优化

0 引言

目前，全球PCB产业产值占电子元件产业总产值的四分之一以上，是各个电子元件细分产业中比重最大的产业，产业规模达400亿美元。PCB钻孔技术发展迅速，逐步向微孔、盲孔、高密度孔发展，目前PCB成孔方式主要是采用数控机械钻孔[1]。随着电子科技的高速发展，对于PCB孔的要求也越来越高，现在国内外PCB钻孔技术仍然存在一些问题，如多层板高密度的孔很难控制孔径圆度，孔位精度值会偏低，且会出现残胶、披锋、孔壁粗糙等现象。孔位精度是评价钻孔质量的一个重要指标，影响孔位精度的因素有许多，如对主轴转速、进刀速度、退刀速度、下钻深度、孔限、叠板数、钻头研磨次数等。这些因素之间存在相互作用，故实际生产中很难把握各个因素的参数。实际生产中，工程师根据自己的经验来确定工艺参数的，一方面试验次数要比较多，另一方面也难以确定PCB最佳的参数组合。本文采用了正交试验设计方法，应用数理统计方法分析试验数据，得到影响PCB钻孔各因素的敏感程度及最佳钻孔工艺参数。

1 钻孔的工艺参数分析

根据专业知识和实践经验，找出对指标有影响的一切可能的因素，然后分类。一类因素的值是固定的，实验当中就取这个定值；另一类因素是变化的，用水平来表示因素的变动范围。对于非连续性的水平，只能取几个值；对于连续性的水平，可在范围内取几个水平，这里对钻孔每个因素取2水平进行分析，具体取值见表1。

2 正交试验的设计及方差分析

2.1 正交表的设计 在多因素试验中，不仅各个因素的水平改变时对试验指标有影响，而且各因素的联合搭配对试验指标也有影响，后一种影响叫做因素的交互作用。建立正交表之前要进行表头设计，在试验中，因为要考虑各因素间的交互作用，所以因素不能随便入列[2]。本试验考虑7因素，交互作用考虑8个，总共有15个，每因素取2水平，所以选用L16(215)的正交表。交互作用列表所占的列是一定的，表头设计如表2所示。

2.2 正交试验的结果分析 试验结果用CPK（Complex Process Capability index，制程能力指数）来表示钻孔的质量，CPK值越大钻孔质量就越好，CPK值由专业检测机器测出。根据表头设计、影响钻孔因素列出正交表L16(215)，根据这个表的16个方案执行试验，得到的CPK值分别为：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，将这16个值填入到L16(215)表格中进行偏差、方差及显著性分析，结果表明各因素对PCB钻孔参数影响主次的顺序为：

由此可得出影响PCB钻孔工艺参数的显著因素为A-转速，D-孔限，B-进刀速。

3 主要因素的参数优化

根据前面分析结果，将主轴转速、进刀速、孔限这3个因素作为主要影响因素，并把它作为实验因素，将其它因素设为固定条件，以便确定主要影响因素的最佳参数。为了更准确的分析，采用三水平的正交表L9(34)，考虑到现实的一些情况及钻孔成本，各因素的水平数值设定见表3，根据这个表做9次试验得到的结果填入表3。

3.1 参数的确定 为了直观分析因素与指标的关系，采用绘制趋势图，用因素的水平作横坐标，指标的CPK值作纵坐标，画出因素与指标的关系（趋势图），如图1，从图中可以看出：

3.1.1 主轴转速以A2为最佳，A2水平过后指标值呈下降趋势，所以取水平160krpm。

3.1.2 进刀速呈上升趋势，可取B3=24um/r，水平也可适当调高一点。

3.1.3 孔限水平在D1、D2时，效果都一样，并考虑到孔限极差小，应取D2=1500。因此，可以确定主要工艺参数的最佳水平组合为A2B3D2。

3.2 效果验证 根据正交表试验分析结果和实际情况的分析，确定出最佳PCB工艺钻孔参数：转速160krpm，进刀速24um/r，孔限1500，退刀速1000mm/min，研磨次数3次，上拉高度4mm，钻头型号选用P0353。将这一组工艺参数应用于某客户的实际生产中进行验证，其中的5次操作结果CPK值分别是2.025、2.124、2.011、2.357和2.184 ，均值达到2.14。可以看得出采用这一组工艺参数操作的稳定性很好，改善的效果也很明显。

4 结语

应用本文得到的工艺参数，钻孔质量中的孔位精度得到明显改善，表明此试验设计对实际生产具有重要的指导意义，不仅提高了钻孔质量，而且缩短工艺参数优化的时间。

参考文献：

[1]王健石.印制电路板技术标准手册[M].中国标准出版社，2007.4.

[2]翟颖妮.基于正交试验的作业车间瓶颈识别方法[J].计算机集成制造系统.2010年9月，第16卷第9期：1945-1952.

第6篇：电路板优化设计范文

中图分类号:TN911-34; TP303.3 文献标识码:A 文章编号: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

随着电子技术的迅猛发展,嵌入式系统的应用越来越广泛,在很多应用中,人们考虑的不再是功能和性能,而是可靠性和兼容性[1-2]。印制电路板(print circuit board,PCB)是电子产品中电路元件和器件的基本支撑件,其设计质量往往直接影响嵌入式系统的可靠性和兼容性[3]。以往,一些低速电路板中,时钟频率一般只有10 MHz左右,电路板或封装设计的主要挑战就是如何在双层板上布通所有的信号线以及如何在组装时不破坏封装。由于互连线不曾影响系统性能,所以互连线的电气特性并不重要。在这种意义下对信号低速电路板中的互连线是畅通透明的。但是随着嵌入式系统的发展,采用的电路基本上都是高频电路,由于时钟频率的提高,信号上升沿也变短,印制电路对经过信号产生的容抗和感抗将远远大于印制电路本身的电阻,严重影响信号的完整性[4]。对于嵌入式系统,当时钟频率超过100 MHz或上升沿小于1 ns时,信号完整性效应就变得重要了[5-6]。

在PCB中,信号线是信号传输的主要载体,信号线的走线情况将直接决定信号传输的优越,从而直接影响整个系统的性能。不合理的布线,将严重引发多种信号完整性的问题,对电路产生时序、噪声和电磁干扰(EMI)等,将严重影响系统的性能。对此,本文从高速数字电路中信号线的实际电气特性出发,建立电气特性模型,寻找影响信号完整性的主要原因及解决问题的方法,给出布线中应该注意的问题和遵循的方法和技巧。

1 信号完整性

信号完整性是指信号在信号线上的质量,即信号在电路中能以正确的时序和电压电平作出响应的能力,信号具有良好的信号完整性是指在需要的时候具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的,而是板级设计中多种因素共同引起的[7]。信号完整性问题体现在很多方面,主要包括延迟、反射、串扰、过冲、振荡、地弹等[8]。

延迟(Delay):

延迟是指信号在PCB板的传输线上以有限的速度传输,信号从发送端发出到达接收端,其间存在一个传输延迟。信号延迟会对系统的时序产生影响;传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。在高速数字系统中,信号传输线长度是影响时钟脉冲相位差的最直接因素,时钟脉冲相位差是指同时产生的两个时钟信号到达接收端的时间不同步。时钟脉冲相位差降低了信号沿到达的可预测性,如果时钟脉冲相位差太大,会在接收端产生错误的信号。

反射(Reflection):

反射就是信号在信号线上的回波。当信号延迟时间远大于信号跳变时间时,信号线必须当作传输线。当传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配时,信号功率(电压或电流)的一部分传输到线上并到达负载处,但是有一部分被反射了。若负载阻抗小于原阻抗,反射为负;反之,反射为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面不连续等因素的变化均会导致此类反射。

串扰(Crosstalk):

串扰是两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起信号线上的噪声。容性耦合引发耦合电流,而感性耦合引发耦合电压。串扰噪声源于信号线网之间、信号系统和电源分布系统之间、过孔之间的电磁耦合。串绕有可能引起假时钟、间歇性数据错误等,对邻近信号的传输质量造成影响。现实中,无法完全消除串扰,但可将其控制在系统所能承受的范围之内。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性、基线端接方式对串扰都有一定的影响。

过冲(Overshoot)和下冲(Undershoot):

过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压,对于上升沿,是指最高电压;对于下降沿,是指最低电压。下冲是指下一个谷值或峰值超过设定电压。过分的过冲能够引起保护二极管工作,导致其过早的失效。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误(误操作)。

振荡(Ringing)和环绕振荡(Rounding):

振荡现象是反复出现的过冲和下冲。信号的振荡即是由线上过渡的电感和电容引起的振荡,属于欠阻尼状态,而环绕振荡,属于过阻尼状态。振荡和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的,振荡可以通过适当的端接予以减小,但是不可能完全消除。

地电弹噪声和回流噪声:

当电路中有较大的电流涌动时会引起地电弹噪声,如大量芯片的输出同时开启时,将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过,芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声,这样会在真正的地平面上产生电压波动和变化,这个噪声会影响其他元件的动作。负载电容的增大,负载电阻的减小,地电感的增大,同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。

2 传输通道电气特性分析

在多层PCB中,绝大部分传输线不仅只布置在┑ジ霆层面上,而是在多个层面上交错布置,各层面间通过过孔进行连接。所以,在多层PCB中,一条典型的传输通道主要包括传输线、走线拐角、过孔3个部分。在低频情况下,印制线和走线过孔可以看成普通的连接不同器件管脚的电气连接,对信号质量不会产生太大影响。但在高频情况下,印制线、拐角和过孔就不能仅考虑其连通性,还应考虑其高频时电气特性和寄生参数的影响。

2.1 高速PCB中传输线的电气特性分析

在高速PCB设计中,不可避免地要使用大量的信号连接线,且长短不一,信号经过连接线的延迟时间与信号本身的变化时间相比已经不能忽略,信号以电磁波的速度在连接线上传输,此时的连接线是带有电阻、电容、电感的复杂网络,需要用分布参数系统模型来描述,即传输线模型。传输线用于将信号从一端传输到另┮欢,由2条有一定长度的导线组成,一条称为信号路径,一条称为返回路径。在低频电路中,传输线的特性表现为纯电阻电气特性。在高速PCB中,随着传输信号频率的增加,导线间的容性阻抗减小,导线上感性阻抗增加,信号线将不再只表现为纯电阻,即信号将不仅在导线上传输,而且也会在导体间的介质中传播。如果信号频率进一步增加,当jωLR,1/(jωC)R 时,导线上的感抗jωL 和容抗 1/(jωC) 成为比电阻RЦ主要的因素[5,7]。图1为传输线电气特性等效模型。

图1 传输线电气特性等效模型

对于均匀导线,在不考虑外部环境变化的情况下,电阻R、传输线寄生电感L和寄生电容C平均分布(即L1=L2=…=Ln;C1=C2=…=Cn+1)。假设传输线为无损传输线,即R=0时,若取线参数:单位长度电容C1、单位长度电感量L1Ш痛输线的总长度为Len,则有[5]:

传输线总电容:

C=C1×Len

传输线总电感:

L=L1×Len

根据传输线的线参数和总长度,可计算传输线的特性阻抗Z0和时延TD,公式如下[1]:

Z0=L1C1,TD=CL=LenC1L1

由以上公式可以明显看出,增大电容,减小电感,可以减小特性阻抗;减小传输线总长度,以及电容、电感,均可以减小信号线上的传输时延。

2.2 高速PCB中过孔的电气特性分析

过孔,通常是指印刷电路板中的一个孔,它是多层PCB设计中的一个重要因素。过孔可以用来固定安装插接元件或连通层间走线。从工艺层面来看,过孔一般分为三类:盲孔、埋孔和通孔。盲孔是指位于印刷线路板的顶层和底层表面,具有一定深度,用于表层线路与下面内层线路的连接,孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔,它不会延伸到线路板的表面。通孔穿过整个线路板,可用于实现层间走线互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现,成本较低,所以一般印制电路板均使用通孔,而不用另外两种过孔。以下所说的过孔,均作为通孔考虑[9]。

过孔作为一段特殊的传输线,在高速电路中,过孔不但产生对地的寄生电容,同时也存在着寄生电感,其电气特性的等效模型如图2所示。

图2 过孔电气特性等效模型

过孔的寄生电容给电路造成的影响主要是使数字信号上升沿减慢或变差,降低了电路的速度。过孔的寄生电容值越小,影响越小。若过孔在铺底层上的隔离孔直径为DG,过孔焊盘的直径为DV,PCB厚度为H,板基材料介电常数为ε,则过孔寄生电容CУ拇笮〗似于[9-10]:

C=1.41εHDVDG-DV

过孔寄生电感的主要影响是降低了电源旁路电容的有效性,使整个电源供电滤波效果变差。若L为过孔的寄生电感,h是过孔的长度,DH是中心钻孔的直径,则可以用下面的公式来简单计算一个过孔近似的寄生电感[9-10]:

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

从上式可以看出,过孔直径对电感的影响较小,过孔长度对电感影响较大。在PCB中,通常旁路电容┮欢霜通过一个通孔连接到地平面,另一端也通过一个通孔连接到电源平面,因此通孔电感的影响会增加1倍。

2.3 传输线拐角对传输通道信号完整性问题的贡献

当信号沿均匀连线传播时,不会产生反射和传输信号的失真。但传输线上的拐角会使传输线处的阻抗发生变化,致使信号出现部分反射和失真。根据导线单位长度电容C1(单位:pF/in),导线线宽w(单位:in),可通过下面公式简单估算每个拐角的寄生电容Ccorner:

Ccorner=0.5C1w

在高密度电路板中信号线线宽较窄时,其拐角的寄生电容量引起的时延累加一般不太可能对信号完整性有很大影响。但对于高频敏感电路,如高频时钟线路,应考虑拐角寄生电容所产生的累加效应[5]。

3 利用布线技巧抑制信号完整性问题

当信号从驱动源输出时,构成信号的电流和电压将互连线看作一个阻抗网络。当信号沿阻抗网络传播时,它不断感受到互连线所引起的瞬态阻抗变化。如果信号感受到的阻抗保持不变,则信号不失真。一旦阻抗发生变化,信号就会在变化处产生反射,并在通过互连线的剩余部分时发生失真。如果阻抗改变程度足够大,失真就会导致错误的触发。在信号完整性优化设计过程中,┮桓霆重要的设计目标就是:将所有的互连线都设计成均匀传输线,并减少所有非均匀传输线的长度,让整个网络中的信号所感受到的阻抗保持不变[1]。基于此,可以归结出一些利用布线技巧抑制信号完整性问题的方法:印制导线的走线形状不要缠结、分支或硬拐角,尽量避免T形线和桩线;尽量保持同一网络信号线的线宽,减少线宽变化;减少传输线长度,增大导线宽度;要尽量增大导线间的距离;尽量减少高速信号线的过孔及拐角,减少信号线的层间转换;合理选择过孔的尺寸大小;减小信号环路面积及环路电流。

总之,任何改变横截面或网络几何形状的特征都会改变信号所感受到的阻抗。布线中减少信号完整性问题的重点就是减少传输线上的阻抗突变,让整个网络中的信号所感受到的阻抗保持不变。

4 结 语

随着嵌入式系统的发展,信号完整性成为嵌入式系统PCB设计中的一项极其重要的内容,影响着整个PCB设计的成败。在电路确定、元器件选定、PCB布局确定的情况下,可通过布线技巧来抑制信号完整性问题的出现,提高 PCB的可靠性,将信号完整性问题引发的损失降到最低。

参考文献

[1]曼特罗斯.电磁兼容的印制电路板设计[M].吕英华,译.2版.北京:机械工业出版社,2008.

[2]保罗.电磁兼容导论[M].闻映红,译.2版.北京:人民邮电出版社,2007.

[3]吴建辉.印制电路板的电磁兼容性设计[M].北京:国防工业出版社,2005.

[4]刘利民.嵌入式系统的硬件体系和发展[J].理工科研,2009(7):275-276.

[5]伯格丁.信号完整性分析[M].李玉山,译.北京:电子工业出版社,2005.

[6]叶军,汪秉文.嵌入式系统的电磁兼容性设计[J].现代电子技术,2004,27(6):43-45.

[7]周萍.高速PCB板的信号完整性设计[J].电子质量,2009(1):32-36.

[8]王爱珍.高速数字PCB板设计中的信号完整性分析[J].现代电子技术,2009,32(1):177-180.

第7篇：电路板优化设计范文

关键词：风光互补发电系统；节能环保；供电照明方案

引言

随着不可再生资源的日渐减少及紧张形势，可再生资源领域的深入研究、发展和应用已经成为了当前科技发展的必然趋势。当前，中国的能源情况并不乐观，因此我们对新能源的深入研究及应用发展显得刻不容缓。太阳能、风能发电系统日渐可靠化、独立化、成熟化，作为本领域内风生水起的两大新生力量，已经被广泛地应用到全球的很多行业，例如家用型风力发电系统、家用型太阳能发电系统等，它们有着绿色环保、能源丰富、节能减排、经济适用等特点，但受其能源密度低、稳定性差、不连续性等因素，往往被认为效率低。中国处于北半球的季风气候区域，春季秋季两个时节的风能源与太阳辐射适中，夏季时节的风能源小太辐射大，冬季时节的风能源大太阳辐射小，结合此情况，正好可利用风能与太阳能时间、空间的互补来实现稳定的能源输出，由此风光互补发电系统顺势而生。

传统的港口供电照明系统主要由场区高杆灯照明、栈桥及转运站照明系统构成，它们的电源一般直接取自于变电所或相应的馈线回路，大部分变电所均采用双母线分段运行三合二形式，可以保证供电的持续性，但长期运行从节能减排、经济适用方面考虑并不划算，况且如果变电站主站出现问题或者外部供电线路出现问题，将无法保证场区所必须的供电照明等。引入风电互补系统能够有效地解决此类问题，能充分利用海边的自然能源进而得以实现节能减排、绿色环保、经济适用的目的。本文通过对风光互补发电系统的深入研究，从而实现将它融入到港口照明供电系统的方案中，并且证明本方案的可行性。

1风光互补发电系统

1.1 风光互补发电系统的构成及工作原理

常见的风光互补发电系统由六大部分组成：

1）风力发电部分：通过风力机装置将外界的风能转换为自身的机械能，再通过内置发电机将机械能合理地转换为质量较高的交流电，通过电力电子整流器转化为直流电，再通过控制器的控制策略做出选择，直接给直流负载供电，对蓄电池进行充电，通过电力电子逆变器输出交流电对负载供电；

2）光伏发电部分：通过太阳能电池板光伏阵列的光生伏打效应将光能合理地转换为质量较高的直流电，然后通过电力电子DC/DC变换器后输出，再通过再通过控制器的控制策略做出选择，直接给直流负载供电，对蓄电池进行充电，通过电力电子逆变器输出交流电对负载供电；

3）逆变系统：由电力电子逆变器组成，可将输入的直流电转变为满足要求的交流电，从而输出给交流电负载设备正常使用，该系统同时具有稳压功能，大大的改善了输出电能的供电质量；

4）控制器部分：该部分为整个系统的大脑中枢，投运哪套发电系统由它决定，输出决策也由它决定，同时它还负责各部分的功率跟踪、蓄电池的充放电控制、保护显示等。它可以根据环境的阳光辐射强度、风能源的大小及负载的需求变化，通过内部的控制策略，不断调整蓄电池组的工作状态，在对直流或交流负载供电的同时，把多余的电能输入到蓄电池组以便存储。当周围环境不佳的情况下，发电量不能满足用电负载的需求，此时控制器会通过控制策略判断，从而调整蓄电池的状态，将储存的电能送往负载，从而保证了整个系统工作的可靠性、稳定性、连续性和安全性；

5）蓄电池组部分：作为该系统的备用电源仓库，由多块蓄电池串联组成，在本发电系统中起到能量储存、能量调节、能量供给、平衡负载等作用。

6）负载：作为用电的终端，包括直流负载、交流负载、泄荷负载等。

风光互补发电系统的构成和工作原理如图1所示。

1.2 风力发电部分

风能的特点主要有能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等[1]。

小型风力发电机组一般由下列几部分组成：风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架及拉索等[2]。

（1）风轮

小型风电机组的风轮一般由2到3片叶片构成，它是将外界的风能转化为机械能的关键部件，材质主要由复合材料构成。

（2）发电机

发电机通常采用永磁式交流发电机，此部位是将机械能转化为电能的重要部件。

（3）调向机构

为了更好的获得风能，风机需要及时根据风况调整迎风方向，小型风电机组一般采用尾翼结构来调整方向。

（4）调速机构

风轮转动并非越快越好，转动过快会造成飞车现象从而损坏各个部件，合理的调整转速才能使系统稳定而合理地输出机械能，小型风电机组一般采用侧偏式风轮调整；

（5）停车机构

风速较大时，小型风电机组需停机，目前常采用侧偏停机机构停机，一般在尾翼机构固定一根软绳。

1.3 光伏发电部分

光伏阵列能够有效地、稳定地将太阳能转换为电能，一般由多个太阳能电池经过串联并联组合构成。太阳能电池是光伏发电的最基本单元，种类有三种：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池[3]。单晶硅太阳电池转换率最高，但成本也最高；相比较，多晶硅太阳电池转换率较高，价格便宜，是现在最常见的材料；而非晶硅太阳电池的转换效率最低，生产工艺较为简单。目前，以晶硅材料为基础的高效电池和薄膜电池是基础研究工作的热点课题[2]。原理是电池板利用光伏效应（光生伏打效应）将太阳能高效地、稳定地转换成电能。光生伏打效应是半导体在吸收光能后， P-N结上会产生相应电动势的现象。

1.4 逆变系统

逆变系统是将直流电转化为交流电的系统，它的转换效率直接体现了负载的使用效率，从而在可行性、稳定性、安全性、济性影响了整个系统。逆变系统通常由数台逆变器构成，将直流电转变为符合要求的交流电，为负载设备提供正常的电能，同时还具备自动稳压等保护功能，由此可大大改善该系统的效率。

1.5 控制器部分

控制器部分主要由主电路板、控制电路板、电路构成，是整个系统的中心部位。

主电路板通常由整流器、变换器、防反充二极管等构成。控制电路板作为整个系统的大脑中枢，多为单片机。电路通常由驱动电路、通讯电路、保护电路、电流采样电路、电压采样电路、辅助电源电路等构成。

发电系统输出的电能经过整流器整流和稳压电容、控制系统处理后给蓄电池充电。风速过高时，输出电压往往大于蓄电池电压，控制系统一般会通过输出脉冲（PWM）来控制电路通断，从而使多余的能量转移到卸荷电阻，从而实现对蓄电池的保护。为确保太阳能电池板的单向导电性，防止发电系统输出的整流电压和蓄电池电压对光伏阵列反向灌充，控制系统一般装设防反充二极管。控制系统中的二极管、保险丝构成了短路回路，蓄电池接反时，会烧毁保险丝，从而切断电路以实现保护系统的作用。为抑制mosfet管因过压、过流产生的开关损耗，控制系统主电路通常由两个具有缓冲电路的输出并联的变换器。主电路是由光伏发电系统主电路和风力发电系统主电路两个互相独立输出端并联的buck电路组成。电路中通常会存在分布电感、感性负载等，当mosfet管关断时，将会产生较大的浪涌电压，因此采用缓冲电路来预防浪涌电压。

1.6 蓄电池部分

蓄电池是整个系统的能量仓库，是系统正常工作的能源基地。风能、光能充沛情况下，可以储存多余的电能，在欠缺的情况下，可以为负载提供充足的电能，同时作为两大发电系统的“中枢”可以合理地调配以实现互补作用。蓄电池的滤波作用能构使系统输出的电能更加平稳。目前市面上本系统采用的蓄电池主要有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池和碱性镍蓄电池。随着科学技术的不断创新和发展，储能方式多元化，超导储能、超级电容储能、燃料电池等新技术已经日渐成熟。综合经济型、便捷性、维护性、稳定性等条件，目前本系统采用铅酸蓄电池比较常见。

1.7 风光互补发电系统的特点

风光互补发电系统能够很好地克服风能、太阳能的随机性和间歇性的缺点，实现不间断发电供电，与单独的风电系统、光电系统相比有明显的优势[4]。系统的主要特点如下：

1.两种能源较为丰富，良好的互补性能够输出稳定的、可靠的、合格的电能供负载使用。

2.通过两大系统互补，可以减少原有单个系统的配置容量，从而大大缩减了投入成本。

3.合理利用可再生资源可以减少火电、核电供给的电量，在环保节能方面做出重大贡献。

4.可以合理地规避由于市电故障导致的供电问题。

1.8 结合港口供电照明系统的分析

现港口供电照明系统中能够引入风光互补发电系统的主要为小负荷回路，具体体现在普通照明、应急照明、维修电源等，我们可以根据现有的港口进行如下分析：

1、成本分析

现某港口配备500盏400w高压钠灯，500盏250w高压钠灯，现将400w、250w高压钠灯分别替换为150w、100w LED灯具，并引入风光互补发电系统，每年大概可以节省350万度电，虽然在前期引入此套设备增加了投入成本，但随着此类产品的成熟化、稳定性，几年内就可通过节省市电的使用来实现更大的经济效益。

2、方案难点分析

由于港口领域还未引入过风光互补发电系统，所以从初期设计阶段就要结合以下方面进行详细的计算和选型：

1）蓄电池容量的计算

2）不同高度和不同地点的风速仪选型

3）风力发电量

4）光伏发电量

5）控制策略的搭建

2结论

通过前面的阐述和分析，可以看出风光互补发电系统技术已经日渐成熟，它在港口工业领域的引入可以减少不可再生资源的消耗，同时提高可再生资源的利用率，减少对环境的污染，大大保证了港口供电照明的持续照明问题，提高了运营的经济型、安全性、稳定性。总之，随着工业发展的需求、时代脚步的前进、国家新能源政策的号召，风光互补发电系统必将引入到港口工业领域的供电照明系统内，并且成为一道靓丽的风景。

参考文献：

[1]黄素逸.能源与节能技术，北京：北京中国电力出版社，2004.4

[2]李俊峰.风力12在中国，北京：北京化学工业出版社，2005.5

第8篇：电路板优化设计范文

关键词：吸收式开关；开关矩阵；隔离度

1概述

开关矩阵中开关模块电路的设计难点是保证驻波比很低的情况下，尽可能的降低插损，实现高隔离度和整体低功耗[1]。随着开关矩阵在通信接收系统的大量普及和发展，应用于开关矩阵系统的核心控制单元开关模块需求越来越大，同时对于开关模块的设计也提出了越来越高的要求[2]。表1给出了国内外常规开关模块指标。本文着重介绍了一款应用于中频4×4开关矩阵的开关模块电路。中频是指频率范围在50MHz~180MHz[3]。实现的技术指标优于国内外常规开关模块，其具有插损小，驻波性能好，低功耗，隔离度优异的特点，十分契合开关矩阵对于核心控制单元开关模块的需求。本设计中的一个突出特点是除了DB9（一种常用数控接头）控制接口，还预留了一个手动控制接口，当上位机控制实效时，可以采用手动控制进行应急处理。优化的版图布局为开关模块的使用和系统安装提供了便利；整个开关模块性能良好，稳定性优异，已达到实用水平[4]。

2设计方案与原理图

本文设计的开关模块是应用于中频4×4矩阵的核心控制部分，由开关部分，电源供电部分，接口部分三大部分组成[5]。本设计的开关模块原理图如1所示。图1所示为开关部分原理图，芯片选型：选择的开关核心芯片采用的是ADI（AnalogDevicesInc）公司的ADG904SP4T开关。ADG904开关芯片的插损1dB以下，隔离度40dB以上，供电电压范围为：1.65V~2.75V，低功耗设计电流在1uA以下。SP4T是指四选一开关。ADI和Hittite在开关芯片技术方面都比较成熟，其中Hittite的HMC344LC3芯片是一款与ADG904类似的芯片，两款芯片基本上都能满足在中频频段（50MHz~180MHz）开关设计开发的性能，但是ADI公司的ADG904是吸收式开关，该芯片的任意一个端口，当不被选通的时候，内部自动添加上一个50ohm的负载，能够吸收不需要的反射波，能够进一步优化驻波比指标。这个功能Hittite的HMC344LC3不具备。同时ADG904的插损比HMC344LC3的插损要更小，隔离度方面两者类似，所以综合来看，ADI公司的ADG904在该设计中更具优势。图2所示为供电部分原理图，电源芯片选用ADI公司的低噪声LDO芯片，LDO是指低压差线性电源。型号为ADP7104，实现对整板的供电。芯片选型，选择ADP7104电源芯片的主要原因是：该芯片输出电源纹波小（小于15uV），效率高，功耗小，电压精度高（±0.8%）带过流过温保护以及反向电流保护，同时芯片封装面积小，节省PCB（印制电路板）板面积。降低成本。图3所示为接口部分原理图，本开关模块设计的一个突出特点是通过DB9接头可以实现上位机对开关的控制，同时在上位机不能正常工作的情况下，通过预留的2×5插针接口，只需要简单的添加跳线帽就可以实现手动控制。附加的手动控制2×5插针接口方便了对开关模块的调试以及提供了上位机控制失效时的应急处理方案。

3PCB布局

本设计的PCB布局图如下所示：从图4和图5的PCB布局图可以看出本设计布局图的特点：保证任意两路射频信号间有接地面进行隔离；射频信号与DC直流信号有接地面或者介质层进行隔离。同时将四路射频输入信号都规划在了整版的左侧，输出射频信号和控制信号都规划在整版的右侧，这样的PCB布局设计可以方便该模块的外部结构件的设计，矩阵系统由于内部涉及模块较多，安装难度很高，该开关模块设计时优化的版图布局为开关模块应用于矩阵系统时的安装提供了便利。

4测试结果

完成电装、调试后，对该开关模块整个进行测试，测试结果如表2所示。RF1，RF2，RF3，RF4分别为四路射频输入端，RFC为开关输出端；RF1-RFC对应表示开关选通RF1到RFC的通路，其他3个通路为断路。该模块是应用于中频4×4矩阵的开关模块，所以对开关模块的插损、隔离度以及端口驻波要求较高，本模块实测结果插损都在0.5dB以下，各端口驻波比都在1.2以下，同时隔离度都在45dB以上，功耗2.5mW（电压2.5V，电流1mA），符合矩阵对于上述指标的需求。

5结论

第9篇：电路板优化设计范文

关键词：PIN开关;匹配;隔离;宽带

中图分类号：TN925 文献标识码：B

文章编号：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

微波开关是用于控制微波信号传输路径及信号大小的控制器件之一，在微波技术的许多领域中有着广泛的用途。

微波控制电路的各种控制功能是通过控制元件来实现的，目前采用的控制元件主要是半导体器件及铁氧体器件，由于半导体器件具有控制功率小、速度快及体积小、重量轻等优点，因此他的应用比铁氧体器件广范得多。微波半导体控制器件主要有PIN管、变容管和肖特基管，由于PIN管具有可控功率大、损耗小及正反偏下能得到近似短路和开路特性，所以在微波应用系统中绝大多数的控制电路中都采用PIN管。

2 PIN管

PIN二极管是一种PIN结器件，在P型和N型两个重掺杂接触区之间有一极小的轻掺杂或非掺杂I区，就得到了对某些器件应用来说十分需要的特性，在反偏时I区将导致极高的二极管击穿电压，而器件电容是通过增大P区和N区的距离来减小的，此时PIN管对微波信号有极高的阻抗。在正向偏置时，I区的电导率由末端区注入电荷来控制的，在PIN管通以适当的正向电流时，显示很低的阻抗。PIN管是一种低失真的偏流控制电阻器，且具有良好的线性性能，在微波电路中有着广泛的应用，用他可以完成调幅、衰减、校准电平等功能，可制成极好的开关、衰减器。

3 PIN开关电路设计

3.1 应用PIN管设计开关电路应考虑的因素

PIN正反偏下不同的阻抗特性，可用来控制电路的通断，组成开关电路。根据PIN管与传输线的不同链接方式，开关可分为并联型和串连型两种，对于并联型开关，管子呈高阻时对传输功率影响甚微，插入衰减很小，相当于开关的导通状态，管子呈低阻抗时，传输功率大部分被反射回去，插入衰减很大，相当于开关的断开状态；对于串连型开关，情况恰好相反。

在实际设计微波PIN开关电路时，应考虑如下几个因素：

(1) 由于单管开关的隔离度和带宽比较小，若要取得更高的隔离度和更宽的频带，就需采用多管级联，组成阵列式开关；

(2) 由于并联型开关有散热条件好等优点，在实际应用中又多采用并联型开关；

(3) PIN开关与终端负载的连接可分为两种形式，即并联终端形式和串连终端形式。前者的偏置电路部分比后者复杂，实现更为困难，所以一般多选串联终端形式。

综合上述3种因素，我们设计的单刀五掷PIN开关采用多管并联级联，而终端为串联终端电路，电路如图1所示。

图1 单刀五掷匹配开关电路原理图

3.2 并联级联阵列式开关衰减性能分析

在忽略PIN管串联电阻的影响下，设PIN管的归一化电纳为JB~;两管之间的距离为L，电长度=βL,г蛉个PIN管并联开关的衰减为：

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管正反偏下的归一化电纳及电长度，就可以从上式求出开关的插损和隔离度。为使开关有良好的性能，θ不能随意取，在实际中一般是以最小插损和最大隔离度条件下综合考虑确定θ值。

开关通断时的衰减由两部分组成，反射衰减和管子损耗，因管子损耗很小可忽略，故损耗全部为反射损耗，要使插损最小，须使开关反射系数为零，故最小插损条件为：

И

θ=tg-1(2/B~-)

И

因反射波互相抵消，衰减为零。若令:

И

θ/=π2+tg-1(2/B~-)

И

则两PIN管反射波相位差和输入波相位相差180°，两管反射波由相互抵消变为相互迭加，从而得到最大隔离。

所以插损最小时应取间距为：

И

L=λg2πtg-1(2/B~-)

И

为获得最大隔度，应取间距为：

И

L/=λg4+λg4πtg-1(2/B~+)

И

其中B~+,B~-分别是PIN管正、反偏下的归一化电纳。一般情况下，L≠L/，ё钚〔逅鸷妥畲蟾衾胩跫不能同时满足，在设计时必须兼顾选择。

3.3 微波PIN开关电路工作状态分析

由于开关具有两种工作状态，即传输状态和隔离状态，对于匹配开关，在这两种工作状态下都应该具有良好的驻波特性，下面我们对这两种状态分别进行分析。

(1) 传输状态

在图1电路中，当B1加反偏，其余偏置端加正偏时，端口J1为传输状态，其余端口均为隔离状态。若并联PIN管的反向结电容为CJ，正向等效电阻为RS。引线电感为LS，串联PIN管的反向结电容为CJ0，正向等效电阻为RS0，г虼耸笨关电路的等效电路为图2所示。

图2 B1加反偏其他加正偏等效电路图

由于四个隔离支路中串联PIN管反偏结电容全部被并入了传输支路的输出端(即公共端口)，从而引起公共端口严重的不连续性。为了补偿这种不连续性，以获得良好的匹配，应在公共端口引入一个采用高低阻抗传输线构成的阻抗匹配网络，如图3所示，通过优化设计就可获得较好的传输匹配性能。再采用TOUCHSTN软件对PIN匹配开关电路进行优化设计，即可得到电路各元件值。

图3 传输状态支路阻抗匹配等效电路

(2) 隔离状态

一旦设计完传输状态下的电路参数，也就确定了隔离状态支路的性能。图4为隔离状态支路的等效微波电路。要想使隔离端口获得高的隔离度，同样可以设计一个阻抗匹配网络接入隔离端口，使隔离端口近似端接一个匹配负载即可。

图4 隔离状态支路阻抗匹配等效电路

4 结 语

根据以上分析研究，采用0.01英寸厚的RT/Duroid5880介质材料的微带电路结构，并用导电胶将微带电路板和腔体粘接在一起，制作成性能良好的超宽带微波单图2 单刀五掷开关驻波测试曲线

图6 单刀五掷开关插损测试曲线

刀五掷PIN开关，该开关结构紧凑、小巧，经测试在其工作频率1~18 GHz范围内，插损小于3.4 dB，隔离度大于60 dB，驻波系数(通、断)小于2.3 dB，开关时间小于30 ns。

参 考 文 献

［1］顾墨琳.微波固体电路设计\[M\]. 南京:机械电子工业部第十四研究所,1991.