随着电子技术的飞速发展,电源产品的电路设计,越来越多地用到了各种各样的大规模、超大规模集成块,电路的设计、布线越来越复杂要将其产品化,需要印刷板达到足够的精度,有时需要双面印刷或多层印刷。然而,采用传统方法,工程技术人员(特别是高等院校的研究生)很难设计制作出符合要求的印刷线路板。这严重制约了电源产品的理论设计向实际转化的进程。
计算机技术的发展,为电子自动化设计提供了丰富的软件。在设计过程中,利用它们构建电路、修改元器件参数、实现对具体电路随时随地进行试验仿真和功能检验。Protel DXP 便是其中集所有设计工具于一身的、功能较强大的一种EDA软件。它具有良好的数据易交换性和开放性,形成了从电气原理到物理结构的电子设计自动化体系。该软件不仅在绘制原理图、印刷线路板布局、布线方面功能完备,还由于它内嵌一个功能强大的A/D混合信号仿真器,利用它设计人员能够方便、快捷地进行电路的原理图与印刷电路图的设计,随时可以对电路进行试验仿真和功能验证,甚至可以对当前的原理图进行仿真,察看和分析电路的性能指标,及时发现设计中所存在的问题并加以改正,提高电路设计的工作效率。笔者在电子教学中总结出了运用该软件在实验室条件下,甚至更差的条件下制作专业级印刷电路板的方法。该方法操作简单,采用它可以制作出印刷线条为0.5mm的板子,可以胜任一般的课题电路板的设计和制作。
1 印刷电路板的设计
1.1 原理图设计
首先根据实际电路的复杂程度确定图纸的大小,即建立工作平面。然后从元器件库中取出所需元件放到工作平面上,并给它们编号、对其封装进行定义和设定。*后利用Protel DXP提供的工具、指令进行布线,将工作平面上的元器件用具有电气意义的导线、符号连接起来,对整个电路进行信号完整性分析,确保整个电路无误。在此过程中应注意下列事项:
(1)逻辑门的多余输入端应妥善处理。或门、或非门多余输入端接低电平;与门、与非门多余输入端接高电平、以免引起误操作。
(2)应选用标准器件封装,如果需要创建元件封装,焊盘孔距应与器件引脚间距一致,以减小引线阻抗和寄生电感。
(3)尽量选用贴片元件。这样不仅可以减小整机体积、提高焊接质量,而且减少了打孔的工作量。
(4)正确选用抗干扰器件。例如用陷波器等滤除一定频率的干扰信号;用二极管和压敏电阻等吸收浪涌电压;用电阻、电容、电感等元件组成旁路、滤波尧退耦电路,抑制干扰信号等。一般电解电容对低频效果好,应接在电源入口处;无极性电容对高频效果较好,应接在各集成块附近。抗干扰器件如果运用不当,不但不会减少干扰,甚至会引起新的干扰。
1.2 仿真
所谓仿真是指在计算机上通过软件来模拟具体电路的实际工作过程,并计算出在给定条件下电路中各关键点的输出波形。电路的仿真是否成功取决于电路原理图、元件模型的仿真属性、电路的网表结构以及仿真设置等。仿真时首先通过Analyses setup 对话框设置仿真方式并制定要显示的数据。该软件提供了10 种分析仿真方式,包括直流工作点、直流扫描、交流小信号、瞬态过程、噪声、传输函数、参数扫描等。设置好仿真环境后单击OK按钮。系统自动进行电路仿真并显示分析结果。通过对仿真结果的分析,设计者可以对电路进行合理的调整,直至完全满意。*后将设计好的原理图通过打印输出,以供制版使用。
1.3 印刷电路板的设计
设计印刷电路图的**步是准备网络表。网络表是连接原理图和印刷图的桥梁和纽带,只有把元件装入了网络表,才能进行布线和布局。当然,在此之前应首先定义电路板的物理尺寸、是单面还是双面布线、各元件的封装形式及安装参数,并对元件库进行加载。
系统在装入网络表的同时,将自动进行布线、布局,并把所有元器件放在电路板的边框内。虽然Protel的布线功能很强大,但它不是万能的。有时也会出现布线不通或布线不合理。因此,自动布后,还需进行人工调整进行修补。印刷线路板的质量不仅直接影响电子产品的可靠性,还关系到产品的稳定性。因此在设计线路板,除了要为电路中的元器件提供正确无误的电气连接外,还要充分考虑线路的抗干扰性能。为了提高印刷板的抗干扰性能,设计印刷板时应遵守以下原则:
(1)在满足布线要求的前提下,优选单面板,其次是双面板、多层板。布线力求简单、均匀。在布线密度许可的条件下可适当加宽印刷导线宽度及其间距。考虑导线载流量、抗剥能力等因素,信号线宽度一般约0.5mm。
(2)地线应略宽,若地线线条很细,则接地点的电位会随电流的变化使接地点的电平不稳,抗噪声性能变差。当板上同时有模拟和数字信号时,应将二者的地线隔离,以免互相干扰。
(3)印刷电路板野满接地冶。设计和制作高频电路板时,除了尽量加粗地线外,还应把板上未被占用的所有面积都作为地线,使元器件能更好地就近接地,降低寄生电感、减少噪声辐射。
(4)电源线应根据电流的大小适当加粗,且走线方向尽量和地线、数据传送的方向一致,以增加抗噪声能力。
(5)主要信号线尽量汇聚于板中间,*好置于地线所形成的闭环内;尽量避免长距离平行布线考虑到局部高压放电等因素,信号(特别是高频信号)导线布线时拐角尽量设计成圆形、圆弧形,切忌画成直角或锐角。
(6)印刷线路板尺寸要适当。尺寸过大,印刷线条长、阻抗大,抗噪声能力下降;尺寸过小,则不易散热,且临近的线条、器件易互相干扰。
(7)输入、输出应分别处于板的两端;电路中相互关联的元器件尽量靠近,以缩短元器件之间连接导线的距离;滤波、旁路电容应尽量安装在需旁路的管脚附近,否则电容器就起不到旁路作用。
(8)高压、大功率元器件应与低压、小功率的元器件保持一定距离,尽量分开布线;在大功率元器件周围不宜设置敏感器件;功率放大器等发热器件应放置在板的边缘或利用引线安装到机器外壳上。
设计好的印刷线路板图,经激光打印机输出到特制的转印纸上,即可供制版使用。
2 印刷电路板的实验室制作
2.1 主要器材
转印机、快速腐蚀机、耐高温热转印纸、台钻、松香酒精饱和溶液、三氯化铁
2.2 原理与方法
裁剪好比转印图纸略大一圈的敷铜板,将敷铜板先用细砂纸抛光,再用橡皮擦净,然后用洗涤灵或洗衣粉洗干净、晾干遥清洁后的敷铜板不能再与任何物质接触,甚至不能用手触摸,因为敷铜板上任何肉眼看不见的污渍和汗渍都会影响*终的转印效果。将打印好的转印纸的图形面朝下和敷铜板的铜面对贴起来,四周用耐高温胶带粘平、粘牢,然后送入热转印机。由于普通激光打印机所用的墨粉是含有磁性物质的黑色塑料微粒,当打印电路图时,墨粉受激光打印机硒鼓静电的吸引,在硒鼓上形成电路图形,当静电消失后,图形就转移到了转印纸上。当转印纸和敷铜板一起通过转印机内一对高温、高压的硅胶圆柱辊缝隙时,转印纸上吸附的墨粉受热融化。由于转印纸表面异常光滑,当温度达到180益左右时,它对墨粉的吸附力急剧下降,使融化的墨粉完全吸附到敷铜板上,待敷铜板自然冷却后,小心揭掉转印纸就会看到在其表面形成了牢固的、和电脑上完全一样精美的印刷线路图。由于墨粉是由含有树脂的高分子材料组成的,因此它对三氯化铁具有良好的抗腐蚀性,所以,此线路图就是可靠的保护层。送入腐蚀机腐蚀五分钟后���再用细砂纸去掉黑色保护膜,即可得到精美的线路板。*后用适当的钻头加工出焊盘、再涂上松香酒精饱和溶液即可。
2.3 注意事项
(1)打印前应先清洁打印机出纸口。因为印刷线路板的质量并不完全取决于转印和腐蚀的好坏,打印的质量对印刷板的质量也起着至关重要的作用。
(2)打印时应设置成野镜像打印冶,这样得到的印刷板和电脑设计的线路图才会完全一致。
(3)由于墨粉高温时很不牢固,稍有外力就会脱落,因此转印过程中,电路板应轻拿轻放;冷却时不要用风吹促其降温,而要自然冷却至室温,不可过早揭开转印纸,以避免墨粉意外脱落。
(4)转印后,印板若有缺陷,可用油性记号笔进行修补。
(5)腐蚀后的板子应先用清水冲洗,除去残余的三氯化铁,然后再去黑色保护层,以免残存的三氯化铁腐蚀需要保留的印刷线条。
(6)为保证打孔质量,打孔时*好使用功率较大的台钻,不要使用功率较小的手电钻。
3 印刷板的纯业余制作
对于个人(业余爱好者)来讲,不可能人人都有转印机和腐蚀机,为了让大家在家里也能进行电源产品制作和研究,我们在实验室制作的基础上,经过多次试验,总结出了印刷板的业余制作方法。
(1)利用文印部,将设计好的印刷板输出到转印纸上。(如果买不到转印纸,可用不干胶纸衬底,即浅黄色的表面光滑的那一面代替。)
(2)把对贴好的敷铜板和转印纸放在一平坦处,将温度高达180益的熨斗置于其上并用力压烫数秒。待自然冷却后,揭掉转印纸
(3)将印制好的敷铜板置于三氯化铁溶液中,20 分钟后取出即可。若欲加快腐蚀速度,可将溶液加热或轻轻搅动溶液(注意应用耐腐蚀容器)。
其他与实验室制作方法相同。
4 结语
本文介绍的热转印方法,自动化程度较高,简单易学,初学者经2~3 次练习即能熟练掌握遥其印刷板精度高(理论上可达到激光打印机的分辨率)、速度快、成本低,特别适用于学校、研究所、业余爱好者进行小批量的印制板的制作。利用它不仅解决了制作人员的设计不能物化为产品的问题,而且为寻找差距、进一步优化设计提供了可能。
参考文献
[1] 袁照兰.电工电子实训教程[M].西安院西安出版社,2004.
[ 2] 肖麟芬.印刷电路板的抗干扰设计[J].电子工程师,2005(3).
[3] 李东生,张勇袁晁冰.Protel DXP 电路设计教程[M]. 北京院电子工业出版社, 2003.
作者简介
袁照兰(1953-),女,平原大学机电学院**讲师。
张清枝(1970-),女,平原大学机电学院讲师,硕士,视频设备维修技师。