案例1L4978开关电源单面电路板设计

1、案例1 L4978开关电源单面电路板设计图101所示为L4978开关电源电路原理图.该电源为一非隔离型DC/DC变换器,核心元件是ST公司生产的开关电源芯片L4978.该电路允许输入电压范围为555V,输出电压范围为3.350V(此开关电源为降压型,输出电压小于输入电压),最大输出电流可达到2A.图中电阻R1和电容C3决定系统工作频率,L4978最高允许频率为500KHz.电阻R3和R4构成电压反馈电路,分压比决定输出电压的高低.R4的阻值为4.7K,调整R3的阻值,可改输出电压.如表101所示为输出电压与R3阻值关系.表101 输出电压与R3阻值关系列表下面从电路原理图开始进入L4978开关

2、电源PVB设计之旅.10.1.1 原理图设计1.建立文件夹在D盘建立一个文件夹,名称为:L4978.2.创建项目物件1)启动Protel DXP.2)执行菜单命令File/New/PCB Project,系统建立一个项目文件,默认文件名为:PCB Project1.PRJPCB.3)执行菜单命令File/Save Project,将新建项目文件换名保存,选择文件路径并输入新建项目文件名L4978,完成D:L4978L4978.PRJPCB项目文件的建立.3.创建一个性的原理图文件 1)执行菜单命令File/New/Schematic,新建一原理图文件.2)然后执行菜单命令File/Save命令

3、,选择路径并输入文件名L4978,建立一个原理图文件D:L4978L4978.SCHDOC.4.载入元件库该电路元件列表如表102所示.表102 L4978开关电源元件列表由表102可以看出L4978开关电源涉及的元件除L4978原理图元件需自己制作外,其余都是系统默认集成元件库Miscallaneous Devices.LVTlib和Miscallaneous Connevtors.IntLib内的元件.5.绘制原理图(1)参数设定执行菜单命令Design/docement Options,将电气栅格属性设为10mil.(2)放置元件1)单击原理图编辑器下部面板标签”Libraries”,打

4、开元件库面板,选择Miscellaneous Devices.IntLib元件库.2)单击Res2元件,再按Place Res2按钮,按Tab键修改器属性,序号改为,序号改为R1,Comment项设为不可见,将右侧Value值设为20K,观察元件封装是否为AXIAL-0.4,是就按OK.3)将光标拖到合适位置,利用空格键旋转元件的方向,单击鼠标左键,完成电阻R1放置;系统处于放置Res2状态,序号自动加1变为R2,单击鼠标左键,完成电阻R2放置;与此类同,完成R3.R4的放置.4)在元件库中,单击Cap元件,再按Place Cap按钮.按Tap键修改器属性,序号改为C2,Comment项设为不

5、可见,将右侧Value值设为2.2F,元件封装改为RAD-0.1,按OK按钮.5)将光标拖到合适位置,利用空格键旋转元件的方向,单击鼠标左键,完成电容C2放置;系统仍处于放置Cap状态,序号自动加1变为C3,单击鼠标左键,完成电阻C3放置;与此类同,完成C4.C5.C6的放置.6)在元件库中,单击Cap Pol1元件,安按Place Cap Pol1按钮,按上述相同做法,完成C1.C7的放置.7)在元件库中,单击Inductor元件.再按Place Inductor按钮.按上述相同做法,完成L1的放置.8) 在元件库中,单击D Schottky元件.再按Place D Schottky按钮.

6、按上述相同做法,完成D1的放置.9)将元件库换为Miscellaneous Connenctors.IntLib元件苦.选择Head 2元件,按Place Head2按钮,按上述相同做法,完成JP1.JP2的放置.(3)制作元件L4978 Protel DXP元件库中没有L4978,只能自己做了,这种情况在电子行业中是很常见的,学会自己制作元件是很必要的.1) 执行菜单命令Design/Make Project Library.系统建立一个项目专用元件库,将已放置在图面上的元件自动载入该库,文件名为:L4978.SCHLIB.系统自动转到原理图元件编辑器中.2) 单击元件编辑器中Add按钮,将

7、新元件名重命名为L4978.3) 利用Place/Rectangle命令绘制一个150mil(W)*80mil(H)的矩形.4) 执行菜单命令Place/Pin放置元件管脚.按Tab编辑管脚属性,如图102所示.将管脚序号设为1,名称为Gnd,并按图101所示放置1号脚.此时系统仍处于放置管脚状态,序号自动加1,变为2,将名称改为SS,并按图101所示位置2号脚.依次完成.7.8脚的放置.如有不合适的地方,可稍加修整.(4)放置元件L49781)单击面板上Place按钮,将刚完成的元件L4978放置到原理图编辑器,按Tab键修改属性.序号为U1.增加Value属性为L4978,如

8、图103所示单击”Models List For*.L4978”中Add按钮添加元件封装.2)在系统弹出的如图104所示Add New Model对话框中,选择Footpint选项.3)系统弹出105所示PCB Model对话框,在Name框内输入L4978封装号DIP-8.如果对封装毫不熟悉,可按Browse按钮浏览查询.4)按OK按钮,再按OK 按钮,拖动鼠标放置L4978.(5)调整元件调整元件包括元件的属性.位置.方向.图106所示为元件布置好后的结果.(6)布线执行菜单命令Place/Wire进行布线工作.原理图布线工作可与调试元件穿插进行.这一方面和PBC布线差距较大.布线后的结果

9、如图101所示.(7)生成网络表首先自己观察原理图有无差错,然后启动Prltel DXP提供的各种校验工具,根据设定规则对绘制的原理图进行检查,并做进一步的调查和修改,保证原理图正确无误,为后续的电路板设计做准备.执行菜单命令Design/Netlisit For Document/ Protel.生成网络表。10.1.2 PCB设计绘制完原理图,下面我们开始L4978开关电源单面电路板的制作.1创建PCB文档1) 执行菜单命令File/New/PCB.系统建立一个PCB 文件,默认文件名为PCB1.PcbDOC.2) 执行菜单命令File/Save,将PCB文件名改为L4978.PcbDOC

10、.2.板层设置因为该电路元件比较少,我们采用单层板.执行菜单命令Design/Board Layers&colors,在弹出的Board Layers属性设置对话框内,关闭Top Lop Layer,打开Bottom Layer.Keep-Out Layer.Mechanical Layer.Mult-layer以及Top Overlay.3参数设置执行菜单命令Design/Options,进行电路板参数设置.将度量单位设为公制.捕捉格栅设为1mm/1mm.可视格点设为1mm/10mm.4.规定电路板我们初步规定电路板的尺寸为:宽度80mm,高度50mm.(1) 绘制物理边界1) 将图

11、层转换按钮Mechanical1,单击Placement工具栏中的/按钮或选择Plase/Line命令启动绘制直线操作,光标变为十字形状.2) 将光标拖到PCB页面接近左下放置,单击一个边的起点(确定此点在10mm可视栅格上).3) 通过目测可视格栅,横向向右数8个大格,确定第一条边(横边)的终点;竖向向上数5个大格确定第二条边(竖边)的终点;横向向左数8个大格,确定第三条边(横边)的终点;竖向向下回到起点确定第四边(竖边).形状尺寸为80mm(W)*50mm(H)封闭的矩形边框.(手工绘制边框,也可以简单绘制一个矩形,通过编辑每条的属性的方式绘制PCB边框,有时间可以自己练习此方式.)(2)

12、 绘制电气边界1) 单击PCB编辑器页面下部图层转换按钮Keep-Out Layer,将当前图层转换到禁止布线层.2) 单击Placement工具栏中的按钮或选择命令Place/Interacive Routing启动互布线操作,光标变为十字形状.3) 单击鼠标,确定一个边的起点(确定此点在距某一物理角点距离为1mm/1mm),通过目测可视格栅,依次确定四边形三个角点的位置,再回到起点,单击鼠标右键退出划线状态.形成一个距物理边界1mm的电气边界.(3) 绘制完成后的电路板边框,如图107所示单击Placements工具栏中 或执行菜单命令Edit/Origin/Set,设置PCB左下点为新的

13、坐标基准点.5.载入元件库L4978开关电源设计到的元件都是系统默认集成元件库内的.两个默认集成元件分别为:Miscalleous Devices.IntLib和Miscallaneous Connectors.IntLib.单击PCB编辑器页面下部的Libraries面板控制按钮大开元件封装库面板,查看有无这两个集成元件库.如果没有,可通过单击面板上Libraries按钮,将这两个集成元件库载入.这两个库均在Prltel DXP软件的Library子目录下.6.载入网络表和元件1)执行菜单命令Design/Import Changes From(L4978.PRJPCB),系统弹出如图108

14、所示Engineering Change Order对话框.3) 单击Validate Changes按钮,系统逐项检查提交的修改有无违反规则情况,并在状态栏(Status)显示是否正确,如果正确,则状态栏中”Check”显示;否则显示,如图109所示.4) 检查结果完全正确,单击Execute Changes按钮,将网络表和元件载入PCB编程中.5) 单击Close按钮,关闭Engineering Chage Order对话框,即可看见载入的元件和预拉线,如图1010所示.7.元件布局1)执行菜单命令Tools/Auto Placement/Auto Placer,对元件进行自动布局,自动布

15、局规则选”Cluster Placer”.2)自动布局后的PCBR如图1011所示.8手工调整(1) 位置.方向调整对于单面板来说,元件布置和方向很重要,它决定了布线能否完全不通.是否路径短而且顺畅.飞线的多少等,并最终决定了这板是否可以使用.调整元件布置可执行Edit/Move级联菜单命令,也可以直接用鼠标拖动.改变元件方向可以采用编辑属性方式,更简洁的方式是在移动或拖动元件的过程中,按空格键改变元件的旋转角度.(2) 修改元件焊盘属性1) 利用Edit/Find similar Objects菜单命令,或使用组合键Shift+F,查找所有焊盘,单击查询控制面板按钮Isspect,将所有焊盘

16、图层由复合层改为底层.2) 编辑CN1.CN2.L1三个元件的焊盘,将焊盘外径设为100mil/100mil,孔径设为50mil.(3) 调整电路板尺寸在元件布局调整过程中,发现电路的尺寸比较大,现在将它改成50mm*50mm的电路板.1) 在命令空闲状态,按键盘”Q”键,切换系统度量单位成公制.2) 编辑电路板物理边界地一条边的属性,设置起点坐标为(0,0).设置终点坐标为(50mm,0);编辑第二条边的属性,将起点坐标设为(50mm,0),设置终点坐标为(50mm,50mm);编辑第三条边的属性,将起点坐标设置为(50mm,50mm),设置终点坐标为(0,50mm);编辑第四条边的属性,将

17、起点坐标设为(0,50mm),设置终点坐标为(0,0);入此,一个50mm*50mm的电路板物理边界就调整好了.参照物理边界调整方式调整电路板的电气边界.按键盘”Q”键,切换系统度量单位成英制.(4) 重新调整元件位置的方向 重新调整后的电路板如图102所示.(5) 增加安装孔为便于电路板的安装,在电路板的四个角各布置4个安装孔.1) 执行菜单命令Place/Pad,光标变成十字形,并带着一个焊盘.2) 按Tap键,编辑板盘属性,焊盘外径设为160mil/160mil,外径为120mil,图层由复合层改为底层.3) 依次在每个角放一个焊盘,双击靠近PCB基准点处焊盘,编辑它的属性,X和Y坐标均

18、设为4mm.并选择Lock选项琐定该焊盘.依次编辑其他三个焊盘,使之坐标分别为(46mm,4mm).(46mm,46mm)和(4mm,46mm).4) 将图层切换到禁止布线层.执行菜单命令Place/Full Circle,增加安装孔周边的禁布线.禁布线距焊盘中心的距离.应不小于安装螺母最大外径.加安装孔后的电路板如图1013所示.元件布局应按照布局原则进行.本电路涉及发热元件,元件布局时电流主电路(C1,U1,D1,L1,C7)及控制回路(R1,R2,R3,R4,C3,C4,C5,U1)主次应分明,且能满足布线后,电流流向简洁流畅;控制回路要求从输出端单点接地;R1,C3振荡回路及R2,C5

19、补偿回路尽量靠近U1(L4978)相应管脚.9.规则设置1)执行菜单命令Design/Rules,打开”电路板规则设置”按钮,进行电路板规则设置.2)打开Routing栏Layer选项,将Toplayer设置为Not Used,将Bottom layer设置为Any.3) 打开Routing栏Width选项,将布线宽度设置为10100mil,推荐宽度设为40mil. 10.布线 执行菜单命令Auto Route/All,启动自动布线操作.自动布线结果如图1015所示.(如果一次布线的结果不很理想,可重复布线操作,至基本满意位置.)11.手工调整布线自动布线结束后,需要对布线进行手工调整.调整重

20、点是地线,其次是电源问题.(1) 地线调整地线的调整不是单是宽度,走向的调整.由于这是一个开关电源电路,最高频率可达500KHZ,为了避免电磁干扰,L4978集成电路及其周围辅助元件,要求单点接地.1) 将图层转换到底板层2) 执行菜单命令Place/Interactive Rounting,对接地网络重新布线,系统自动删除原来的布线.(2) 电源回路调整电源回路调整包括输入和输出两部分.电源回路的布线一方面要加宽,另一方面要注意电流的流向应利于滤波.(3) 其他回路的调整布线要短,要流畅.一般,布线的调整不会一步到位,会有反复,直至满意为止.如图1016所示为调整后的电路图. 12.多边形敷

21、铜 图1016所示已能满足使用要求了.但是如果感觉还不完善,还要将电源和地线出入口部分放置多边形填充敷铜,而且不要镂空的.1) 单击绘图工具栏中的按钮,或执行菜单命令Place/Ploygong Plane.2) 在弹出的多边形填充设置对话框内确定格栅尺寸为20mil,线宽度为22mil(大于格栅尺寸即可),填充形式只要不是None就可以,网络选择地线(Gnd),选择Pour Over Same Net选项.”多边形填充设置”对话框如图1017所示.3) 单击OK按钮,光标变成带十字光标的箭头.单击鼠标,确定多边形填充的各个角点,单击鼠标右键,生成接地的多边形填充.4) 用同样的办法,生成Vin和Vout网络的敷铜操作.5) 敷铜的电路板如图1018所示. 13.DRC检查 执行菜单命令Tools/Desgin Rule Check,对电路板进行设计规则检查.并自动生成DRC检查报