PCB设计技术 课件 4 助听器电路

PCB设计技术课程项目3:助听器电路PCBDesign深圳职业技术学院曾启明条入叶贯，融会贯通条入叶贯一词出自汉代王充的《论衡》：“通人知士，虽博览古今，窥涉百家，条入叶贯，不知审知”，比喻对知识深入精微，融会贯通。本章将会使用前面两章的设计好的元件。助听器的应用助听器是一种能够将声音信号进行实时采集和放大的电子装置，可以帮助听力障碍者改善听觉。早期的助听器采用晶体管设计，随着耗电更低，稳定性更高的集成电路出现，基于集成电路的助听器迅速地取代了晶体管助听器。电路结构与原理助听器电路的结构助听器电路采用电阻电容、三极管等分立元件，组成两级放大电路，将麦克风所采集数米范围内的声音放大，输出至3.5mm直径的通用耳机接口。01.电路结构与原理三极管放大电路电源驻极体麦克风3.5mm耳机接口功率放大电路的连接01.电路结构与原理输入放大输出电源部分逻辑封装设计2.1麦克风的逻辑封装设计02.逻辑封装设计驻极体麦克风具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路。麦克风包含两个引脚，其中与外壳连接一端为接地端。麦克风属于极性元件，在逻辑封装设计时，引脚的序号遵守“1正2负”规则实物图逻辑封装1逻辑封装2接地端1212122.2三极管的逻辑封装设计02.逻辑封装设计三极管是一种电流控制的半导体器件，其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号。封装形式上，三极管包含发射极（Emitter,E）、基极(Base,B)和集电极（Collector,C）三端，根据工作电压的极性，三极管分为NPN型和PNP型PNP型三极管NPN型三极管核对逻辑封装的引脚排序02.逻辑封装设计三极管属于常用元件，其逻辑封装可以在PCB设计软件自带的封装库中找到。为了确保与后期物理封装设计的一致性，调用的逻辑封装需要核对其引脚序号，确保与厂商数据手册相符合。为了方便后期封装的核对，引脚的序号不能隐藏。2.3开关的逻辑封装设计02.逻辑封装设计开关是一种控制电路通断的电子元件，本项目使用拨动开关。与第2章按键控制LED电路的轻触按键不同，拨动开关带有自锁功能，能够锁定当前通断状态。(a)逻辑封装(b)实物图(c)电路连接2.4耳机连接座的逻辑封装设计02.逻辑封装设计耳机连接座是一种用于连接耳机音频接头和PCB电路的电子元件，最常见的类型是3.5mm口径的耳机连接座。3.5mm是指音频接头的直径，为了能够让接头能够顺利接入，连接座的口径一般等于3.6mm02.逻辑封装设计本项目采用的耳机连接座型号为PJ-307，是一种带有5个引脚的立体声连接座。图(b)所示为耳机连接座的电路连接，1号引脚是接地端，2、3号引脚，4、5号引脚分别为两个声道的接触端，每个声道带有插入检测功能。(a)实物图(b)电路连接(c)逻辑封装2.5栅格的进阶使用02.逻辑封装设计格点线条形状脱离格点原理图绘制3.1元件复用03.原理图绘制功率放大电路原理图助听器电路原理图按键控制LED电路原理图3.2元件的物理封装属性修改03.原理图绘制元件在原项目已经写入了物理封装信息，因此在新项目的原理图设计过程中，必须逐一核对这些元件的物理封装信息，并根据当前项目的要求进行调整。例如，电解电容的物理封装需要根据当前项目的容值、耐压等要求，确定正确的物理封装。助听器电路原理图03.原理图绘制物理封装设计4.1物理封装库的管理04.物理封装设计随着项目经验的增加，PCB工程师积累的元件封装会越来越多，逐渐构成一个专属的“封装库”。一种常见的管理方式是将所有元件的物理封装逐渐累加到同一个库。所有的PCB设计项目，均从单一物理封装库中调取元件。单一物理封装库方式的优点是便于管理，但存在隐患物理封装库元件1元件2元件3元件n-1元件nPCB1PCB2PCB3元件n-1元件3元件1不同的PCB调用一种严谨的元件物理封装库的管理建议04.物理封装设计积累封装库元件1元件2元件3元件n-1元件nPCB1PCB2元件1元件3项目封装库1元件1元件3项目封装库2复制调用建立一个“积累封装库”，整理项目实践中遇到的所有元件物理封装，规范命名，存放于库中；针对每一个具体的PCB项目，建立对应的“项目封装库”，从“积累封装库”复制所需要的元件封装至当前项目封装库，并在复制过程中确认封装参数的正确性4.2麦克风的物理封装设计04.物理封装设计负极负极驻极体麦克风的物理封装设计要点03.原理图绘制(0,0)坐标(1.27,-2)坐标(-1.27,-2)9.4mm矩形焊盘表示正极122引脚的直径为0.5mm，圆形焊盘的内径可设置为0.9mm左右以元件投影中心为原点，根据两个引脚的位置，1号焊盘（正极）和2号焊盘的位置坐标为（-1.27,-2）和（1.27,-2）1号焊盘是正极，除了使用“+”丝印表示正极，也可以使用矩形焊盘来标示。4.3三极管的物理封装设计04.物理封装设计三极管具有三个引脚，定义分别为基极B、集电极C、发射极E，在设计物理封装时，三个引脚焊盘的顺序必须和封装严格一致。三极管常见的封装形式有直插TO-92（TransistorOutline）和贴片SOT-23（SmallOutlineTransistor）两种11TO-92封装04.物理封装设计SOT-23是一种典型的贴片型晶体管封装形式，相比TO-92封装形式，其体积更小广泛应用于高元件密度的电路SOT-23：微型晶体管封装2.404.物理封装设计TO-92封装的设计要点针脚的直径为“0.46±0.1”，图纸中给出了建议的焊盘内径为0.6mm；引脚间距为1.27mm。正常情况下，焊盘的间距必须严格等于引脚的间距，不能改动。然而这里建议的焊盘间距为2.0mm，增大了焊盘之间的间距，这是为了防止焊接过程中，焊盘间距较小导致的短路问题；焊盘的外形采用了“槽型”，也就是长条型，主要目的是防止焊盘之间的距离过小，违反最小的安全间距；封装的丝印外形为一非规则半圆形。4.4拨动开关的物理封装设计04.物理封装设计电路采用型号为SS-12D00的1P2T（单刀双掷）拨动开关内径≈0.8mm坐标(-2.5,0)8.5mm123(0,0)2.53.7mm4.5PJ-307耳机连接座的封装设计04.物理封装设计电路采用型号为PJ-307的立体声耳机连接座实物图内部电路耳机连接座一共包含5个引脚，其中1号引脚是接地端，2、3号引脚为一声道，4、5号引脚为另一声道。该耳机连接座具有插入检测功能，耳机头插入后，2、3号引脚、4、5号引脚将会从短路变为开路状态，可以通过单片机的I/O口进行检测。04.物理封装设计PJ-307耳机连接座的封装设计要点Unit:mm(0,0)圆形非金属孔1.50.8(0,-5)(-2.5,-5)以元件中心为原点是比较合适的方案，1号焊盘更接近元件的中心位置。以1号焊盘的中心为原点，可以计算其他焊盘的位置坐标：13网表处理05.网表处理复用元件的物理封装信息核对05.网表处理1234电路的最高工作电压是3.3V。两个电解电容的电容值分别为1μF和100μF，与第2章功率放大电路的10μF和220μF不相同，因此需要按照元件的选型规格书重新确定元件尺寸。PCB布局6.1圆角板框设计06.PCB布局呈直角的PCB板框容易造成板体的划伤，同时扎伤人，在PCB制造中，当客户没有特殊要求时,PCB板框的直角一般会建议做成圆角的形式，设计软件对板框的转角进行圆角处理的过程，称为“倒角”直角直角圆角(a)按键控制LED电路(b)功率放大电路(c)助听器电路6.2PCB的开槽（挖洞）06.PCB布局圆形开槽开槽是指在闭合PCB板框内部挖空一定形状的区域。开槽的原因一般有两个：一是结构需要，配合外壳装配需要等在特定位置挖空PCB；二是电气隔离需要。助听器电路PCB的左下角设计了一个圆形的开槽。6.3元件对齐06.PCB布局左对齐居中对齐右对齐顶端对齐垂直居中底部对齐元件对齐是PCB设计软件提供的一项功能，能够有效提高布局的效率和质量。元件对齐方式有左对齐、右对齐、顶部对齐、底部对齐、居中对齐和垂直对齐6种。在保证PCB性能的前提下，使得元件整齐有序，是一个优秀PCB工程师追求的目标。元件无法自动对齐的原因06.PCB布局在具体应用时，一些新手在应用自动对齐工具时，可能会出现不能对齐的情况。这种情况并非软件问题，是由于元件物理封装设计时参考原点的设置不统一造成的PCB布线7.1安全间距07.PCB布线安全间距是PCB的基本规则，分为电气安全间距和非电气安全间距两类线与线≥4mil线与过孔≥4mil线与焊盘≥4mil过孔与过孔≥4mil导线间距由制造设备的蚀刻精度决定，按照目前主流的制造能力，导线间距要求大于4mil1.导线间距2.焊盘与焊盘的间距07.PCB布线焊盘与焊盘的间距由制造设备的蚀刻精度决定，同时要考虑元件焊接时的安全距离。按照目前的制造能力，焊盘与焊盘之间的间距要求大于10mil贴片焊盘之间通孔焊盘之间贴片与通孔焊盘之间≥10mil≥10mil≥10mil3.铜块间距07.PCB布线铜块是PCB上的大面积金属。铜块与铜块、铜块与导线、铜块与焊盘之间的距离一般大于导线间距，取导线间距的2-3倍铜块铜块与导线铜块与焊盘铜块与过孔铜块与铜块≥2×导线间距≥2×导线间距≥2×导线间距≥2×导线间距4.铜块与板框边沿的距离07.PCB布线在PCB制造中，出于电路板成品机械方面的考虑，避免由于铜皮裸露在板边可能引起卷边或电气短路等情况发生，一般会将大面积铺铜块相对于板框边沿内缩20mil以上板框铜块到板边的距离≥20mil铜块7.2单平面多区域铺铜07.PCB布线铜块1铜块2铜块3单平面多区域铺铜实现过程07.PCB布线NET1GNDVCC其他网络1选平面顶层主要用于普通信号线的连接，完成的连线无法保证完整的铺铜平面，因此底层是铺铜平面更合适的选择。单平面多区域铺铜实现过程07.PCB布线2标识网络分布为需要的铺铜连接的网络设置不同颜色。标识网络分布是为了方便PCB工程师在绘制铺铜区域时，实时了解连接点的分布情况NET1GNDVCC单平面多区域铺铜实现过程07.PCB布线3绘制铺铜区域根据网络的颜色标识，可以直观的了解各个网络的连接点分布，并绘制铺铜区域。多个网络的绘制顺序没有严格要求，具体的铺铜区域也没有标准方案。VCCNET1GND另一种铺铜区域绘制方案07.PCB布线铺铜区域的具体实现形式是多样的，没有标准答案。上一个方案中3个网络的铺铜区域基本占满整个平面，这是正确的做法。左图所示为另一种铺铜区域的绘制方案，两种方式都可以完成铺铜连接，但该方案将会造成该平面部分区域的铜缺失，从而影响结构的稳定性。VCCNET1GND铜缺失后期处理8.1制造文件的导出08.后期处理文件至PCB制板工厂的两种交付方式设计源文档制造文件08.后期处理线路层（Routing）每一个电气层的线路信息，工厂可根据这些信息制造对应层的金属线路，建议使用“正片”方式输出，文件数与层数一致丝印层（Silkscreen）顶层和底层的字符、油墨信息，工厂可根据这些信息制造电路板上的白色油墨，文件数为2助焊层（PasteMask）指示贴片封装焊盘的大小和位置，也称为“钢网层”，用于焊接阶段，与PCB制造无关，文件数为2阻焊层（SolderMask）指示电路板上绿油的覆盖区域，也称为“绿油层”，用于阻止绿油铺进焊盘和指示需要露出铜的区域，文件数为2钻孔图形层（DrillDrawing）PCB上钻孔位置、数量及大小信息的图形文件，文件数为1钻带文件（NCDrill）能够被数控钻机导入识别的钻孔文件，可以理解为是直接驱动钻机工作的指令文件，文件数为11.线路层08.后期处理线路层是电气层的线路信息，主要用来制造PCB上的线路、铜块、过孔焊盘和元件焊盘，其数量与PCB的层数相关。图中黑色部分是需要保留铜箔的部分，而白色部分是需要刻蚀，去除铜箔的部分顶层线路底层线路白色：刻蚀部分2.丝印层08.后期处理丝印层主要用于制造顶层和底层的印制信息，例如元件的轮廓和标注，各种注释字符等。丝印层的文件数是固定的，包含顶层和底层两个制造文件顶层丝印底层丝印白色：刻蚀部分3．助焊层08.后期处理助焊层，又称为钢网层，英文为PasteMask。该层虽然从PCB文件中导出，但其实与PCB制造无关。助焊层，顾名思义是帮助焊接，而且帮助很“偏心”，仅帮助贴片类型的焊盘本项目没有贴片焊盘的元件，因此都是空白的顶层助焊底层助焊白色：刻蚀部分4．阻焊层08.后期处理阻焊层，又称为绿油层，英文为SolderMask，主要用于制造PCB上的绿油。图中白色部分是覆盖绿油的区域，黑色部分是不覆盖绿油区域。在行业中，阻焊层又