О Г Л А В Л Е Н И Е
advertisement
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 3 1. АНАЛИЗ КЛАССИФИКАЦИИ БЛОКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 4 2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ БЛОКА ПИТАНИЯ 5 3. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЛОКА ПИТАНИЯ 9 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ БЛОКА ПИТАНИЯ 13 5. ВЫБОР ВАРИАНТОВ УСТАНОВКИ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПЕЧАТНУЮ ПЛАТУ 15 6. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 17 7. ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 19 8. РАСЧЕТ ЕМКОСТИ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА 22 9. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ДЛЯ ПЕЧАТНОГО УЗЛА БЛОКА ПИТАНИЯ 23 ВЫВОДЫ 24 ЛИТЕРАТУРА И ССЫЛКИ 25 ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАВШИХСЯ СТАНДАРТОВ 25 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ТЕКСТ ОПИСАНИЯ МОДЕЛИ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ НА ВХОДНОМ ЯЗЫКЕ WINSPICE 26 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ 28 2 Введение В настоящее время основной тенденцией в области развития радиоэлектронных устройств широкого потребления является снижение габаритных размеров и массы, стоимости, а также расширение функциональности. Большинство таких устройств имеют внешние блоки питания, электробезопасности. что определяется Отмеченная тенденция в первую касается очередь и этих, требованиями казалось бы, вспомогательных элементов. Основными требованиями, предъявляемыми к блокам питания, являются надежность, компактность, невысокая стоимость. Темой выпускной квалификационной работы является проработка схемы и конструкции печатного узла для бестрансформаторматорного блока питания с выходным напряжением 8,5 — 9 В. Областью его применения является электропитание радиоприемников портативного типа, а также ряда других устройств (мультиметров, дозиметров, весов и т.д.), которые не критичны к гальванической развязке между электрической сетью и выходом и потребляют небольшой ток. Разрабатываемый источник может замещать батареи типа «Крона» и аналогичные им аккумуляторы с напряжением 8,4 В. Таким образом, задача проектирования такого блока питания, поставленная в техническом задании, является актуальной и практически востребованной. Данная работа может быть условно разделена на специальную и конструкторскую части. Первая из них охватывает разделы 1 —4 пояснительной записки, вторая — части 5 — 9. В техническом задании была поставлена задача проектирования без использования прототипов, поэтому для проверки схемных решений было признано необходимым выполнить схемотехническое моделирование, в ходе которого проверены рабочие режимы элементов, которые предполагается использовать в схеме. Основным результатом выполнения выпускной квалификационной работы является разработанный комплект конструкторской документации, достаточный для изготовления печатного узла спроектированного блока питания. 3 1. Анализ классификации блоков электропитания Перед выполнением проектирования блока питания целесообразно рассмотреть существующую их классификацию в целях уточнения места разрабатываемого устройства среди аналогичных и выявления путей удовлетворения требований, заданных в техническом задании. Классификация [1, 2] предусматривает следующие группы блоков электропитания питания (БЭП). 1. Нестабилизированные БЭП. Это самые распространенные трансформаторные блоки питания. Обеспечивают выходное напряжение постоянного тока. Такой блок питания обычно содержит сетевой трансформатор и выпрямитель. В нестабилизированных блоках питания выходное напряжение соответствует номинальному только при номинальном сетевом напряжении (220 В) и номинальном токе нагрузки. Эти БЭП пригодны для питания осветительных и нагревательных приборов, электромоторов и любых устройств со встроенным стабилизатором напряжения (например, большинство радиотелефонов и автоответчиков). Они имеют значительный уровень пульсаций выходного напряжения и не пригодны для питания звуковой техники (радиоприемников, плееров, музыкальных синтезаторов). 2. Стабилизированные БЭП. Обеспечивают стабилизированное выходное напряжение постоянного тока. Такой блок питания обычно содержит сетевой трансформатор, выпрямитель и стабилизатор. Выходное напряжение не зависит (или почти не зависит) от изменения сетевого напряжения (в разумных пределах) и от изменения тока нагрузки. В стабилизированных БЭП выходное напряжение будет почти одинаковым как на холостом ходу, так и при номинальной нагрузке. Кроме того, для них характерны достаточно малые пульсации напряжения переменного тока на выходе. Стабилизированный блок питания практически всегда может заменить нестабилизированный. Стабилизированные БЭП могут не иметь трансформатора. 3. Импульсные БЭП обеспечивают на выходе стабилизированное напряжение постоянного тока. Они имеют следующие преимущества по сравнению с трансформаторными (такими могут быть БЭП первых двух групп): большой коэффициент полезного действия, незначительный нагрев, малый вес и габариты, большой допустимый диапазон сетевого напряжения. Обычно имеется встроенная защита от перегрузки и замыканий на выходе. Важнейшими элементами импульсного источника питания являются ключ — устройство, способное за короткое время изменить сопротивление прохождению тока с минимального на максимальное, и наоборот, и интегратор, 4 напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку. Преимущества импульсных блоков питания растут с увеличением мощности, т.е. для самой маломощной бытовой аппаратуры их применение может быть экономически не оправдано, а блоки питания мощностью от 50 Вт уже существенно дешевле в импульсном варианте. Импульсные блоки питания схемотехнически сложнее трансформаторных. 4. БЭП переменного тока (включая автотрансформаторы). Применяются для питания осветительных и нагревательных электроприборов, а также для тех бытовых приборов, которые содержат внутренний выпрямитель и стабилизатор напряжения (например многие радиотелефоны Siemens, Toshiba, ряд автоответчиков). 5. Зарядные устройства. Под зарядными понимаются устройства, предназначенные исключительно для заряда аккумуляторов различных типов. При этом аккумуляторы могут в процессе заряда располагаться как внутри зарядного устройства, так и снаружи. Однако, например, сетевые адаптеры для радиотелефонов, ноутбуков будем относить к БЭП, т.к., во-первых, аккумуляторы при этом подключаются к устройству заряда не напрямую, а через внутреннюю схему, а во-вторых, кроме заряда аккумуляторов такой блок питания, как правило, обеспечивает и работу от сети. Исходя из назначения проектируемого блока питания, определим его место в приведенной классификации. Электропитание радиоприемников должно осуществляться при помощи стабилизированных источников постоянного тока (пп.2 и 3). Требованию по отсутствию в схеме трансформаторов удовлетворяют стабилизированные и импульсные БЭП. В [1] отмечается, что импульсные блоки питания малой мощности имеют стоимость, соизмеримую с трансформаторными источниками питания. Поэтому в данном случае проектировать БЭП импульсного класса экономически нецелесообразно. Следовательно, в приведенной классификации разрабатываемый блок электропитания относится к бестрансформаторным, стабилизированным (п.2), и не является импульсным. 2. Разработка электрической схемы блока питания Принципиальная электрическая схема. В настоящее время используемые на практике блоки питания могут иметь как простую, так и весьма сложную схемотехнику. БЭП повышенной сложности характеризуются большим интервалом входных напряжений, защитой от перегрузки, высокой степенью стабилизации выходных напряжений. Техническое задание на разработку блока питания не содержит особо жестких требований по параметрам выходного напряжения, по защите от короткого 5 замыкания и т.п., поэтому в данном случае целесообразно использовать наиболее простую и дешевую схему, что позволит сделать БЭП конкурентоспособным при оговоренном в задании коммерческом использовании. Схему БЭП целесообразно строить на основе делителя напряжения, в состав которого включен элемент стабилизации [3]. Кроме того, схема должна содержать выпрямительный мост для преобразования переменного тока в постоянный. Предлагаемая схема БЭП изображена на рис. 1. R3 220В сет ь C1 R1 C3 VD1 D1 R2 VD2 =9B C2 D2 Рис. 1. Принципиальная электрическая схема Переменный ток, поступающий в схему, проходит через конденсаторы С1 и С2, а также сопротивление R3 и поступает на выпрямительный мост, собранный по схеме Греца. Данный выпрямительный мост относится к двуполупериодным. Он состоит из двух полупроводниковых диодов, и двух стабилитронов. Мост в первом приближении преобразует синусоидальный сигнал в сигнал, являющийся его модулем. Стабилитроны обеспечивают стабилизацию выходного напряжения, устанавливая его фиксированный уровень при обратном смещении в режиме лавинного пробоя. Стабилитроны должны иметь напряжение стабилизации, равное номинальному выходному напряжению БЭП. Таким образом, входное напряжение падает на реактивном сопротивлении конденсаторов C1 и С2, резисторе R3 и выпрямительном мосте. Конденсатор С3 необходим для сглаживания пульсаций напряжения на выходе. Конденсаторы С1 и С2 можно объединить в один, но это оказывается не выгодным, как будет показано ниже при выборе элементной базы. Это касается и резисторов R1 и R2. Что касается сопротивлений R1 и R2, то они подключены непосредственно к источнику питания. Эти элементы не обязательно устанавливать в данную схему, но, если сетевое напряжение предварительно подается через стабилизаторы некоторых типов, то R1 и R2 необходимы для устойчивой их работы. Кроме того, они замыкают токовый контур для конденсаторов С1 и С2, на которых после отключения БЭП от питающей сети может накапливаться значительный заряд, что создает определенную опасность при касании контактов вилки. Резисторы R1 и R2 позволяют разрядить эти конденсаторы за 6 весьма короткое время. Но это будет возможным, только если к блоку питания подключена нагрузка, поскольку сам по себе мост Греца почти полностью разрывает цепь. В нормальном режиме работы, когда отсутствует перегрузка, стабилизированное напряжение на выходе почти не меняется при колебании сетевого напряжения в широких пределах. В случае перегрузки выходное напряжение очень быстро снижается почти до нуля и остается малым до тех пор, пока перегрузка не будет устранена. Одной из особенностей данного блока питания является большая длительность переходных процессов, текущих в цепи при включении. Они связаны с наличием в цепи конденсатора большой (см. ниже) емкости, а также нестабильностью характеристик стабилитронов при их выходе на рабочий режим. Поэтому следует рекомендовать сначала включать в сеть блок питания, а затем, через 1…2 с — его нагрузку. Такие эксплуатационные рекомендации характерны для многих схем, используемых в качестве вторичных источников питания [3]. Выбор номиналов элементов и элементной базы. Выбор элементов из доступной элементной базы можно производить, исходя из самых различных соображений. Это могут быть требования надёжности, специфические электрические требования, экономические соображения. Для устройств такого типа широко применяются стабилитроны Д814Б. Они достаточно дёшевы, и в точности соответствуют необходимым электрическим параметрам (напряжение стабилизации от 8 до 9,5 В, ток стабилизации до 36 мА по [4]). Кроме того, эти стабилитроны удобны с точки зрения их установки на печатную плату при монтаже в отверстия, т.к. обладают гибкими выводами. Поскольку устройство относится к классу маломощных, то и диоды следует выбрать такими же. Подходящими являются диоды Д226А как одни из самых распространенных и соответствующих требуемым электрическим параметрам. Они отличаются низкой стоимостью и малым разбросом параметров в пределах партии [5]. Это низкочастотные диоды, эксплуатацию которых рекомендуется проводить на частотах до 1 кГц, импульсное обратное напряжение для каждого из них составляет 400 В, что превосходит амплитуду синусоидального сетевого напряжения 310,2 В. Выбор номиналов конденсаторов и сопротивлений производят на основании анализа схемы на переменном токе. Исходными данными для этого расчета являются режимы работы диодов и стабилитронов, выбираемые разработчиком, и описание входного сигнала. На основании этих данных рассчитывают полное добавочное сопротивление цепи. В нашем случае наиболее выгодно в качестве добавочного сопротивления использовать последовательно включенные емкость и активное 7 сопротивление. Известно, что реактивное сопротивление не потребляет электрической мощности, но обеспечивает падение напряжения. Это позволит избежать применения мощного активного сопротивления, которое неизбежно отличалось бы повышенным тепловыделением и требовало бы установки на удалении от других элементов (вне печатной платы или на радиаторе). Резистор R3 служит для ограничения тока, протекающего через схему в момент включения ее в сеть. В начальный момент времени, согласно законам коммутации [6], конденсаторы С1, С2 и С3 могут считаться замкнутыми накоротко. Наибольший ток при этом соответствует случаю, когда входное напряжение близко к амплитудному значению (номинальное значение около 310 В). Импульс тока будет очень кратковременным, т.к. емкости С1 и С2 быстро зарядятся до текущего требуемого уровня. Номинал R3, с одной стороны, определяет тепловые потери в схеме, т.е. влияет на ее коэффициент полезного действия, а с другой — определяет максимальный импульсный ток, который течет в проводниках схемы. Обычно для печатных плат этот ток огранивается на уровне 2...3 А, что позволяет выбрать значение R3 из стандартного ряда сопротивлений — 130 Ом. Общая емкость, соответствующая конденсаторам С1 и С2, определяется из следующих соображений. Ток через эти конденсаторы при максимальном (амплитудном) напряжении на входе должен несколько превышать номинальный ток источника питания, который по техническому заданию равен 45 мА, чтобы обеспечивалось питание нагрузки и заряд емкости С3, которая сглаживает пульсации напряжения. Вместе с тем, номиналы емкостей должны быть таковыми, чтобы не был превышен максимальный прямой ток через диоды D1 и D2 в схеме на рис. 1. Он составляет 100 мА. Полагая значение требуемого тока равным 85 мА, можно определить требуемое полное актитвно-реактивное сопротивление емкостей С1, С2 и резистора R3 на частоте 50 Гц. Оно составляет около 3650 Ом. Далее можно найти требуемое общее реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2, которое составит 3540 Ом, откуда общая емкость последовательного соединения конденсаторов С1 и С2 составит около 0,9 мкФ. Сглаживающий пульсации напряжения конденсатор С3 должен иметь емкость порядка 500 мкФ и быть электролитическим, что соответствует общим рекомендациям по проектированию источников питания постоянного тока [3]. Резисторы R1 и R2 должны обладать большим сопротивлением, чтобы практически не потреблять электрическую энергию. Поэтому рекомендуется принять R1 = R2 = 2,2 МОм. Выберем марки резисторов и конденсаторов. Наиболее распространенными являются резисторы МЛТ разных мощностей. Для данной схемы необходимы резисторы следующих мощностей: R1 и R2 — по 0,125 Вт, R3 — 2 Вт. Конденсаторы С1 и С2 8 выберем марки К73-11 с номинальными параметрами 1,8 мкФ и 250 В. Они весьма дороги, однако альтернативы им практически нет, поскольку другие типы предполагают крепление на более прочную, чем печатная плата, основу при помощи винтов, что ввиду их существенно больших габаритов приведёт к увеличению размеров печатного узла. Электролитический конденсатор С3 выберем на напряжение 25 В, марки К50-5. Печатный узел БЭП может использоваться в составе радиоприемника или другого устройства. Поэтому не будем устанавливать на печатную плату разъем для подключения печатного узла к источнику питания и нагрузке. Это оказывается выгодным по нескольким причинам. Во-первых, отсутствие разъема упрощает топологию печатной платы и снижает стоимость её производства, а также стоимость всего печатного узла. Вовторых, это увеличивает надёжность всего устройства. В целях систематизации в таблицу 1 сведены типы элементов, их обозначения на схеме и электрические характеристики. Таблица 1. Радиоэлементы, используемые в проектируемом БЭП Обозначение в схеме на рис.1 Количество Тип Основные электрические характеристики Резисторы R1, R2 2 МЛТ-0,125 R3 1 МЛТ-2,0 Сопротивление 2,2 МОм, мощность 0,125 Вт Сопротивление 130 Ом, мощность 2 Вт Конденсаторы С1, С2 2 К73-11 С3 1 К50-5 D1, D2 2 VD1, VD2 2 Емкость 1,8 мкФ, макс. напряжение 250 В Емкость 500 мкФ, макс. напряжение 25 В Диоды выпрямительные Максимальное обратное напряжение Д226А 400 В, макс. прямой ток 0,1 А. Стабилитроны Напряжение стабилизации 8…9,5 В, Д814Б макс. ток стабилизации 40 мА 3. Схемотехническое моделирование блока питания Моделирование является одним из новых и мощных инструментов, существенно облегчающих инженерный труд и трудоемкость работ. Моделирование позволяет определить работоспособность схемы, режимы работы составляющих её элементов и выявить пути совершенствования для достижения требований технического задания, что, в конечном счете, повышает качество спроектированного изделия и его надежность. 9 При моделировании составленной схемы источника питания необходимо определить/проверить: — общую работоспособность составленной схемы; — время выхода на установившееся напряжение при номинальном токе, отдаваемом в нагрузку, и амплитуду пульсаций в этом режиме; — диапазон допустимых входных напряжений; — рабочие режимы элементов, используемых в принципиальной электрической схеме, — для их сопоставления с предельно допустимыми параметрами, задаваемыми для каждого элемента. Для выполнения моделирования была выбрана программа WinSPICE 1.03 [7]. Тексты, описывающие моделируемую схему на входном языке, приведены для каждого из этих случаев в приложении 1. Для диодов Д226А использовалась модель со стандартными параметрами и с обратным током 0,1 мкА, для стабилитронов — с обратным током 0,1 мА и напряжением обратного пробоя 9,0 В. 1. Общая проверка работоспособности. Схема моделируется во временной области с определением напряжения на выходе схемы при нагрузке, равной 200 Ом (соответствует номинальному току 45 мА при выходном напряжении 9 В). Входное напряжение — синусоидальное, амплитудой 311 В, что соответствует действующему значению 220 В. Интервал моделирования должен быть достаточен для выхода схемы на установившийся режим. Результат моделирования представлен на рис. 2. Рис. 2. Расчетная осциллограмма напряжения на выходе блока питания 10 Как видно из приведенного рисунка, на выходе схемы при номинальной нагрузке формируется напряжение со средним значением около 8,65 В, что соответствует требованиям технического задания. 2. Время выхода на установившееся напряжение при номинальном токе. С использованием тех же параметров моделирования могут быть оценены значения времен выхода на установившийся режим и амплитуда пульсаций (рис. 3). Они составляют соответственно около 165 мс и менее 0,1 В, что соответствует требованиям технического задания. Рис. 3. К оценке амплитуды пульсаций и длительности выхода на установившийся режим 3. Определение диапазона допустимых входных напряжений. Нижний предел входных напряжений определяется допустимой амплитудой пульсаций и требованиями по расположению среднего напряжения в интервале от 8,5 до 9 В. Снижение питающего напряжения приводит к увеличению амплитуды пульсаций за счет уменьшения удельной длительности заряда емкости С3 в схеме на рис. 1. Многократное моделирование показало, что при амплитуде входного напряжения менее 250 В (173 В эфф.) выходное напряжение при номинальной нагрузке сохраняет допустимую амплитуду пульсаций на уровне 0,11 В, однако среднее напряжение становится менее 8,5 В (рис. 4). Таким образом, для разрабатываемого источника питания нижний уровень входного напряжения составляет 173 В, что меньше заявленного в техническом задании уровня — 180 В. Повышение питающего напряжения приводит к снижению амплитуды пульсаций и мало влияет на среднее значение выходного напряжения, но ведет к возрастанию прямых токов через диоды выпрямительного моста. Результаты моделирования показывают, что 11 на начальном интервале времени амплитудное значение прямого тока через диоды Д226А составляет около 88 мА, в то время как допустимое значение среднего прямого тока равняется 100 мА, и оно не должно превышаться для сохранения надежности функционирования схемы. Рис. 4. К определению нижней границы диапазона входных напряжений При амплитудном значении входного напряжения, равном 360 В (около 255 В эфф.) амплитудное значение прямого тока через диоды составляет чуть более 100 мА (рис. 5). Это значение выше заданной в техническом задании верхней границы — 250 В. Рис. 5. К определению верхней границы диапазона входных напряжений 12 Таким образом, устройство с предложенной схемой удовлетворяет требованиям технического задания на проектирование в части выходных параметров. 4. Определение рабочих режимов элементов. Для сравнения с предельно допустимыми значениями следует определить: — для резисторов — среднюю выделяемую мощность; — для конденсаторов — максимальное напряжение; — для диодов — максимальный прямой ток и обратное напряжение; — для стабилитронов — максимальный ток в режиме стабилизации. Эти параметры были определены при номинальном входном напряжении. Они сведены в таблицу 2. Таблица 2. Характеристики рабочих режимов радиоэлементов блоков питания Обозначение Максимально Значение по в схеме на Параметр, единица измерения допустимое результатам рис.1 значение моделирования R1, R2 Средняя выделяемая мощность, Вт 0,125 0,025 R3 Средняя выделяемая мощность, Вт 2 1 С1, С2 Напряжение, В 250 151 С3 Напряжение, В 25 9,8 Обратное напряжение, В 400 9,2 D1, D2 Прямой ток, мА 100 88 VD1, VD2 Ток в режиме стабилизации, мА 40 36,2 Из таблицы 2 следует, что все используемые в блоке питания элементы работают в допустимых режимах, что соответствует условию надежного функционирования устройства. 4. Определение условий эксплуатации блока питания Печатный узел, спроектированный по исходной схеме (см. рис. 1), предполагается использовать в аппаратуре коммерческого назначения, независимо от того, является ли это устройство радиоприемником или отдельным блоком питания для маломощных потребителей. Это означает, что аппаратуру предполагается эксплуатировать в максимально мягких условиях. Поэтому никаких особых требований к конструкции печатного узла и к составляющим его элементам не предъявляется. По классификации [8] для данного печатного узла характерны следующие классы внешних воздействий, приведённых в таблице 3. В связи с предполагаемым большим объемом выпуска печатных узлов выберем серийный тип производства. Его особенностью является требование по минимизации стоимости единичного изделия, что также необходимо учесть при проектировании печатного узла. 13 Предполагаемое использование печатного узла в стационарной (не переносной) аппаратуре приводит к тому, что никаких особых требований по массе и габаритам к нему не предъявляется, однако из экономических соображений ясно, что при самой дешёвой и подходящей для данного изделия технологии производства габаритные размеры узла должны быть минимальными. ГОСТ 16962 Таблица 3. Характеристики условий эксплуатации блока питания Вид нагрузки ГосударстСтепень Примечаили венный Значение характеристик жесткости ние воздействия стандарт Вибрационные Диапазон частот 1…35 Гц I ———— нагрузки Макс. ускорение 0,5g Макc. ускорение 15g МногократI Длительность удара 2…75 ные удары мс Ударные нагрузки Макc. ускорение 4g ОднократI Длительность удара 40…60 ные удары мс Линейные (центробежI Макc. ускорение 10g ———— ные) нагрузки Температура Температура воздуха при воздуха при I эксплуатации от +1 ———— эксплуатации1 до +40 0С Пониженное атмосферное I Давление не ниже 70 кПа ———— давление Относительная влажность Относительная 80% при 250C и более I ———— влажность низких температурах без конденсации влаги Рассматриваемый блок питания отличается узким назначением. Для него характерен более низкий коэффициент полезного действия, невысокая максимально допустимая мощность нагрузки. Однако, как показывает практика, такие характеристики вполне применимы для БЭП стационарной аппаратуры. Такие блоки питания отличаются более низкой стоимостью, что очень важно при серийном производстве. Поскольку устройство работает в отсутствие существенных внешних воздействий, то для печатного узла не требуются специальные типы расчетов. Поэтому в качестве дополнительного выполним расчет емкости небольшого фрагмента печатного монтажа. Связь между степенями жесткости по влажности воздуха и климатическим исполнением и категориями изделий по ГОСТ 15150 приведена в приложении 14 к ГОСТ 16962. 1 14 5. Выбор вариантов установки элементов на печатную плату Выбор вариантов постановки элементов производится на основании технического нормативного документа — отраслевого стандарта ОСТ 4 ГО.010.030-92 "Электронные модули первого уровня. Установка изделий электронной техники на печатные платы". Кроме того, варианты установки элементов на плату можно брать из справочника [9], написанного на основании ряда стандартов, устанавливающих нормы на проектирование и производство плат. На основании этих документов выбраны следующие варианты постановки элементов на печатную плату (рис. 5 — 10). 6 2,2 0,23 0,7 Печатная плата 10 Рис. 5. Вариант установки на ПП резистора МЛТ-0,125 (в схеме на рис.1 — R1, R2 по ОСТ 4.ГО. 010.030-92 Ia ([9], табл.24, стр.43, рис. 19). Радиус гибки выводов не менее 1мм 18,5 10,6 8,6 1,1 1 Печатная плата 22,5 Рис. 6. Вариант установки на ПП резистора МЛТ-2 (в схеме на рис.1 — R3) по ОСТ 4.ГО. 010.030-92 Ia ([9], табл.24, стр.43, рис.19). Радиус гибки выводов не менее 1мм 15 30 14 0,9 Печатная плата 35 Рис.7. Вариант установки на ПП конденсатора К73-11 (в схеме на рис.1 — С1, С2) по ОСТ 4.ГО. 010.030-92 Ia ([9], табл.30, стр.86, рис.20). Радиус гибки выводов не менее 1мм 45,5 18,5 2 0,9 7,5 Рис. 8. Вариант установки на ПП конденсатора К50-5 (в схеме на рис.1 — С3) по ОСТ 4.ГО. 010.030-92 Ia ([9], табл.30, стр.62, рис.21). Радиус гибки выводов не нормируется 15 9 5 0,7 1,1 1,0 25 Рис. 9. Вариант установки на ПП стабилитрона Д814Б (в схеме на рис.1 — VD1 и VD2) по ОСТ 4.ГО. 010.030-92 Ia ([9], табл.61, стр.193, рис.24). Радиус гибки выводов не менее 1,5мм 16 18 12 2 6,8 0,8 1 1,0 25 Рис.10. Вариант установки на ПП диода Д226А (в схеме на рис.1 — D1 и D2) по ОСТ 4.ГО. 010.030-92 Ia ([6], табл.60, стр.192, рис.24). Радиус гибки не менее 1,5 мм 6. Выбор основных характеристик печатной платы Проектирование печатной платы (ПП) начнем с выбора метода её изготовления. Согласно ОСТ 4ГО.000.011, это следует делать по эскизной компоновке аппаратуры, в процессе которой определяются основные габариты и типоразмеры плат, а также требуемая для данного изделия плотность монтажа. При выборе метода производства ПП следует исходить из электрических параметров схемы изделия, предъявляемых климатических и механических требований, экономических и прочих соображений. В нашем случае из рекомендуемых по ОСТу методов изготовления ПП (см. п.3.3 ОСТ 4ГО.000.011) выбираем химический метод. Действительно, он применяется для изготовления односторонних печатных плат, предназначенных для использования в широковещательной аппаратуре. В нашем случае проектируемая плата будет однослойной, поскольку все её межэлементные связи трассируются в одном слое коммутации (см. чертежи). По тому же нормативному документу выберем материал для изготовления печатных плат. Поскольку плата не несёт существенных механических нагрузок (1 класс по ГОСТ 16962), то можно для изготовления ПП использовать фольгированный стеклотекстолит СФ-1-35 (ГОСТ 10316-70) толщиной 1 мм. Толщина медной фольги составляет 35 мкм. Такой толщины проводящего материала, как будет показано ниже, достаточно, чтобы обеспечить безаварийное функционирование узла. Для нанесения рисунка выберем метод сеткографии. Он относится к наиболее распространённым и хорошо проработан [9]. Метод заключается в нанесении через сетчатый трафарет красок, резистов и паст, которые защищают покрытые ими участки 17 платы от вытравливания слоя меди. Во всех других областях, не покрытых этими материалами, проводящее покрытие стравливается. В результате этого на поверхности печатной платы образуется рисунок проводящих дорожек и областей сплошной металлизации. Поскольку при функционировании устройства не предполагается наличия какихлибо неблагоприятных условий, то для защиты от внешних воздействий выберем из табл.8 [8] эпоксидно-уретановый лак УР-231 (ВТУ ГИПИ-4 №366-62). По своим свойствам он эластичен, стоек к трению и применяется для нормальных условий. Выберем класс печатной платы. Поскольку напряжение между соседними проводниками достигает 400 В, то минимальное расстояние между ними должно составлять не менее 1,5 мм2, и целесообразным оказывается выбрать класс А. Для него расстояние между проводниками в узких местах равно 0,5…0,6 мм. Шаг координатной сетки выбираем равным 2,5 мм. В данном случае это оправдано и оказывается выгодным в силу выбранных вариантов установки элементов на плату. Кроме того, это основной шаг, используемый для ПП класса А. Схема, смонтированная на плате, должна подключаться к источнику электроэнергии и к нагрузке. Поэтому необходимо предусмотреть контактные площадки с отверстиями для пайки проводов. Рассчитаем, какую площадь будет иметь проектируемая печатная плата. Общее число элементов, которое требуется установить на печатную плату, равно n = 7 (без конденсаторов С1 — С3). Согласно методике ориентировочных расчётов, площадь, необходимая для установки этих элементов, равна S n *(1,5...2) см 2 7 * 2, 0 14 см 2 (1) Конденсатор С3 занимает площадь около 12 см2. С учетом этого площадь, занимая под элементы, составляет 26 см2. Округлим её до 30 см2. Конденсаторы C1 и С2 занимают по 7 см2. Таким образом, площадь ПП возрастает до 44 см2. Прибавим к этому площадь, занятую под контактные площадки (КП), к которым паяются провода питания и нагрузки, и занимаемую промежутками между элементами. Пусть она равна 10 см 2. Отсюда площадь ПП составит 54 см2. Выберем геометрические размеры ПП. Отраслевой стандарт ОСТ 4ГО.000.011 рекомендует следующие соотношения сторон для прямоугольных ПП: 1:1, 1:2, 2:3, 2:5. В нашем случае выгодно соотношение сторон 2:3, т.е. с учетом кратности длины стороны шагу сетки ПП габаритные размеры платы составят 90*60 мм, что соответствует площади 2 См. таблицу 3 в ОСТ 4ГО.000.011. 18 54 см2. По требованию стандарта выводы электрорадиоэлементов (ЭРЭ) должны располагаться не ближе 5 мм от края ПП. Расположение элементов на плате будем выполнять по принципу наибольшей связности. Это позволит минимизировать площадь, занятую под межсоединения, и, в конечном счете, способствует успешной трассировке проводников. 7. Топологическое проектирование Топологическое проектирование ПП заключается в расчете диаметров отверстий под выводы элементов, ширины проводников, диаметров контактных площадок, а также включает расчёт узких мест, если таковые имеются. Расчёт ширины печатных проводников. Согласно [8], оценивать минимально допустимую ширину проводников следует по двум формулам: I I max b П max (3) , (2) a U a где b — минимальная ширина проводника, мм; a = 35 мкм — толщина фольги; b γ = 20 А/мм2 — максимально допустимая плотность тока для внешних слоев коммутации ПП (в нашем случае нет других, т.к. плата однослойная); ρ = 0,0175 Ом*мм2/м — удельное сопротивление материала проводника; ΔU — максимальное падение напряжения на самом длинном проводнике, В; П — длина наиболее длинного проводника на плате; I max — предельный ток, текущий через печатный проводник в нормальном режиме. В нашем случае максимальная длина проводника на плате не превысит её линейного размера. Поэтому положим, что П = 55 мм. Максимальное падение напряжения выберем равным 0,3 В (взято с избытком), а максимальный ток в неаварийном режиме работы I max = 0,1 А. Выполнив расчет, получим I max 0,1 0,143 мм (4) a 20 0, 035 I 0,1 b П max 0, 0175 0, 055 0, 0092 мм (5) a U 0, 035 0,3 Данные значения — минимально допустимые для печатного проводника. b Необходимо выбрать большее значение, иначе дорожки на ПП могут быть пережжены текущим через них током. Для класса А, выбранного в предыдущем разделе, ширина проводника должна быть не менее 0,5 мм. Выберем ширину проводника равной 0,8 мм. Заметим, что при проектировании топологии необходимо как можно большую площадь платы оставить занятой металлизацией. Это позволяет сократить объём работы, связанной с разметкой платы при изготовлении, и увеличивает помехоустойчивость 19 схемы, смонтированной на данной плате. Это ведет и к экономии травителя при производстве ПП химическим методом. Расчет диаметров отверстий под выводы элементов и контактных площадок. Расчет этих параметров проведём в соответствии с ОСТ4.ГО.010.011 (см. табл.4) и [2] (см. табл.9) на основании ОСТ 4 ГО.010.030-92, регламентирующего установку элементов на ПП. Результаты расчета сведены в таблицу 4. Таблица 4. Диаметры отверстий под выводы и контактных площадок Диаметр Обозначения Диаметр Диаметр отверстия 3 Марка элемента элементов по вывода , контактной под вывод, схеме на рис.1 мм площадки, мм мм Резисторы МЛТ-0,125 R1, R2 0,7 1,0 2,0 МЛТ-2 R3 1,1 1,4 2,4 Конденсаторы К73-11 С1, C2 0,9 1,2 2,2 К50-5 С3 0,9 1,2 2,2 Стабилитроны Д814Б VD1, VD2 1,1 1,3 2,3 0,7 1,0 2,0 Диоды Д226А D1, D2 1,0 1,3 2,3 0,8 1,0 2,0 4 Отверстия под — 0,8 1,0 2,0 провода для подключения схемы к источнику энергии и потребителю — всего 4 отв. При расчете использовались следующие формулы: d d B (0, 2 0,3) (6) d K d 1 (7) Здесь dB — диаметр вывода элемента, мм; d — диаметр отверстия под вывод элемента, мм; dК — диаметр контактной площадки, мм. Формулы для расчета зависят от метода производства платы, наличия металлизации отверстий, а также от того, к какому классу принадлежит проектируемая плата. Отверстия не требуют зенковки, т.к. она обычно не применяется при изготовлении односторонних ПП. В этой и др. графах для диодов и стабилитронов указаны два числа; первое — относится к катоду (отрицательному) выводу, а второе — к аноду. 4 Здесь имеется ввиду диаметр облуженного провода. Можно использовать провода различных типов, например, МГВ или МГВЛ — для подвода сетевого напряжения, МГШД или МГШДО — для подсоединения к токопотребителю. Эти медные провода часто используются на предприятии при монтаже РЭА. Обычно при выборе провода используют справочники, например, [10]. 3 20 Проектирование топологии ПП, как правило, выполняется на основании формализации электросхемы в виде графа, вершинами которого являются элементы, а ребрами — соединения между ними [11]. Граф электрической схемы изображен на рис.11. Из рис. 11 видно, что входные и выходные КП предполагается располагать попарно рядом. Также видно, что в данном графе имеется одно пересечение. Для ПП это означает пересечение проводящих дорожек, что недопустимо. Пересечение можно устранить, если проводник проложить между выводами элемента, что приведёт к образованию так называемого узкого места, и возможность такой прокладки трассы необходимо проверить расчетами. C1 R1 R3 Выход, 9В D1 VD1 Вход, 220В C1 R2 D2 VD2 C2 Рис. 11. Формализация электрической схемы в виде графа. Расчет узких мест. Этот расчет проводится с целью выявления проверки возможности прокладки проводника в ограниченном пространстве, например, между двумя выводами одного элемента. Расчет выполняется после проектирования топологии печатной платы. Как видно из чертежа печатной платы, при данной конфигурации топологии имеется три узких места: между выводами стабилитрона VD1, диода D1, резистора R3 и емкости С2. Проверим возможность прокладки трасс в самом узком месте платы — между выводами VD1. Этого будет достаточно, хотя в принципе и этот расчет можно не проводить. Рассчитаем минимально необходимое для прокладки расстояние по формуле I d1 d 2 1, 25n 1, 42 2 (8) где d1 и d2 — диаметры КП, между которыми надо проложить трассу или трассы, n — число прокладываемых трасс. Рассчитаем это расстояние: I d1 d 2 2, 0 2,3 1, 25n 1, 42 1, 25 2 1, 42 5, 07 мм 2 2 (9) 21 Это расстояние оказывается существенно меньше, чем расстояние между отверстиями под выводы, равное 25 мм. Таким образом, трассировка двух проводников между КП VD1 оказывается вполне возможной. Другие узкие места также обеспечивают прокладку необходимых трасс. Более того, указанные места являются узкими лишь номинально, поскольку проводники трассируются через них с многократным запасом по пространству. Рассматривая чертеж печатной платы, заметим, что на ней устанавливаются достаточно крупные ЭРЭ, что ведет к большому пространству, не занятому печатными проводниками. Эту площадь необходимо оставить закрытой медной фольгой (не стравливать медь), что при массовом производстве химическим методом ведёт к экономии травителей. 8. Расчет емкости печатного монтажа Полный расчет емкости всего печатного монтажа, тем более для многослойных ПП, представляет собой сложную и объемную задачу, решаемую численными методами с привлечением автоматизированных средств узкой специализации (общие соображения изложены в [11] и [12]). Методика расчета приведена в [12]. Для расчёта выберем наиболее протяженную систему проводников. Это система экран — проводник C1 — R3 (см. чертежи). Она изображена на рис. 12. Её протяженность составляет (см. чертёжи) l = 0,023 м. П еч ат ны й l пр ов од ни к Э КР АН Диэл. проницаемость=1 d a Диэл. проницаемость=6 Рис. 12. Фрагмент печатного монтажа Исходными данными для расчёта являются: толщина платы h = 1 мм, ширина печатного проводника a = 0,8 мм, расстояние между шиной и экраном d = 2 мм, относительная диэлектрическая проницаемость платы (стеклотекстолита) εr1 = 6, воздуха — εr2 = 1. Рассчитаем параметр m: m a 0,8 0, 286 . a d 2 0,8 22 d (exp( ) 1) (1 t2 )(t3 t2 ) 2h Далее рассчитаем параметр m1 , здесь t2 0,917, а d (1 t2 )(t3 t2 ) (exp( ) 1) 2h (2a d ) ) 1) 2 h t3 0,976. Отсюда m1 0,00135 . По графику на рис.3.2 (см. [12]) (2a d ) (exp( ) 1) 2h (exp( определяем по параметру m и m1 отношения эффективную ЭФ r1 относительную r1 r 2 K1 K ` 2 K `1 K 8,55 . K` K` 1, 2, 1 2,85. Отсюда рассчитаем K K1 диэлектрическую Коэффициент, определяющий проницаемость: емкость длины проводника, равен отсюда сl = 1,667. Теперь, когда все коэффициенты вычислены, рассчитаем емкость рассматриваемой системы проводников: C 8,85 8,55 1, 667 0, 023 2,90 пФ. Емкости, образующиеся при печатном монтаже между проводниками, для низкочастотных схем не играют существенной роли, и их в принципе можно не учитывать. 9. Разработка конструкторской документации для печатного узла блока питания Конструкторская документация является основным итогом разработки печатного узла. Она выполнялась по требованиям единой системы конструкторской документации, а также с использованием информации [8, 11, 12]. Чертежи выполнены с использованием графической системы M&S Visio 2003. Перечень чертежей, составляющих разработанную конструкторскую документацию, приведен в приложении 2. Чертежи прилагаются к пояснительной записке. 23 Выводы По результатам выполнения ВКР можно сделать следующие выводы. 1. Проанализирована современная классификация источников питания, отмечено место разработки в их ряду, что позволило уточнить требования к объекту проектирования. 2. Выполнено схемотехническое проектирование блока питания, включая выбор принципиальной электрической схемы и элементной базы, а также расчет ее характеристик. 3. Выполнено схемотехническое моделирование блока питания, которое позволило проверить его общую работоспособность, определить время выхода на установившийся режим, амплитуду пульсаций выходного напряжения, оценить рабочие режимы элементов в составе устройства для их сопоставления с предельно допустимыми. 4. Выполнено топологическое проектирование печатного узла блока питания. 5. Разработан комплект конструкторской документации на печатный узел, который является основным итогом разработки. 6. Выполнены все требования технического задания на выпускную квалификационную работу. 24 Литература и ссылки 1. Интернет-ресурс http://tec.org.ru/board/78-1-0-116. 2. Москатов Е.А. Источники питания. — М.: Корона-Век, 2011. — 208 с. 3. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. — М.: МК-пресс, 2007. — 288 с. 4. Хрулёв А.К., Черепанов В.П. Диоды и их зарубежные аналоги. Справочник. Т.2. «РадиоСофт», М., 1998. 5. Хрулёв А.К., Черепанов В.П. Диоды и их зарубежные аналоги. Справочник. Т.1. «РадиоСофт», М., 1998. 6. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. — М.: Феникс, 2002. — 576 с. 7. Тумковский С.Р. Сервер SPICE – первое знакомство. — М.: МИЭМ, 2001. — 44 с. 8. Методические указания «Конструирование и задания функционального по узла конструкторскому микроэлектронной практикуму аппаратуры». МГИЭМ, РТУиС, М. 9. Горобец А.И., Степаненко А.И., Коронкевич В.М. Справочник по конструированию радиоэлектронной аппаратуры (печатные узлы). «Технiка», Киев, 1985. 10. Терещук Р.М. и др. Справочник радиолюбителя. Ч.1. «Технiка», Киев, 1985. 11. Кечиев Л.Н. Курс лекции по дисциплине "Основы проектирования РЭС", МИЭМ, РТУиС. 12. Методические указания по расчету электрофизических параметров систем проводников. МИЭМ, РТУиС. Перечень использовавшихся стандартов 1. ГОСТ 16962. «Классификация и нормировка внешних воздействий для РЭА» 2. ОСТ 4 ГО.010.030-92 «Электронные модули первого уровня. Установка изделий электронной техники на печатные платы» 3. ОСТ 4ГО.000.011 «Платы печатные. Конструирование» 4. ГОСТ 10316-70 «Стеклотекстолит фольгированный СФ-1-0,35» 5. ВТУ ГИПИ-4 №366-62. «Лак УР-231» 6. ГОСТ 21931-96. «Припой ПОС-61» 7. ТУ6-10-1539-79 Т2 «Эмаль чёрная ЭП-572» 8. ГОСТ 2353-79. «Требования к печатным платам» 25 Приложение 1. Текст описания модели источника питания на входном языке WinSPICE 1. Текст описания схемы блока питания для проверки работоспособности, определения длительности выхода на установившийся режим и амплитуды пульсаций выходного напряжения storm V1 1 0 SIN(0 311 50) C1 1 2 1.8E-6 IC=0 С2 0 6 1.8E-6 IC=0 R1 1 0 2.2E6 R2 1 0 2.2E6 R3 2 3 130 D1 4 3 DIODE D2 4 6 DIODE DV1 3 5 STAB DV2 6 5 STAB C3 4 5 5E-4 IC=0 Rn 4 5 200 Rd 5 0 1E8 .model DIODE D(IS=1E-7) .model STAB D(IS=1E-7 BV=9) .TRAN 1E-6 300E-3 UIC .PLOT TRAN V(5,4) .END 2. Текст описания схемы блока питания для определения нижней границы диапазона допустимых входных напряжений блока питания storm V1 1 0 SIN(0 250 50) C1 1 2 1.8E-6 IC=0 C2 0 6 1.8E-6 IC=0 R1 1 0 2.2E6 R2 1 0 2.2E6 R3 2 3 130 D1 4 3 DIODE D2 4 6 DIODE 26 DV1 3 5 STAB DV2 6 5 STAB C3 4 5 5E-4 IC=0 Rn 4 5 200 Rd 5 0 1E8 .model DIODE D(IS=1E-7) .model STAB D(IS=1E-7 BV=9) .TRAN 1E-6 800E-3 UIC .PLOT TRAN V(5,4) .END 3. Текст описания схемы блока питания для определения верхней границы диапазона допустимых входных напряжений storm V1 1 0 SIN(0 360 50) C1 1 2 1.8E-6 IC=0 C2 0 6 1.8E-6 IC=0 R1 1 0 2.2E6 R2 1 0 2.2E6 R3 2 3 130 D1 4 3 DIODE D2 4 6 DIODE DV1 3 5 STAB DV2 6 5 STAB C3 4 5 5E-4 IC=0 Rn 4 5 200 Rd 5 0 1E8 .model DIODE D(IS=1E-7) .model STAB D(IS=1E-7 BV=9) .TRAN 1E-6 800E-3 UIC .PLOT TRAN @D1[id] .END 3. Текст описания схемы блока питания для определения рабочих режимов его элементов storm V1 1 0 SIN(0 311 50) C1 1 2 1.8E-6 IC=0 27 C2 0 6 1.8E-6 IC=0 R1 1 0 2.2E6 R2 1 0 2.2E6 R3 2 3 130 D1 4 3 DIODE D2 4 6 DIODE DV1 3 5 STAB DV2 6 5 STAB C3 4 5 5E-4 IC=0 Rn 4 5 200 Rd 5 0 1E8 .model DIODE D(IS=1E-7) .model STAB D(IS=1E-7 BV=9) .TRAN 1E-6 800E-3 UIC .PLOT TRAN V(5,4) .PLOT TRAN @R1[p] .PLOT TRAN @R2[P] .PLOT TRAN @R3[p] .PLOT TRAN V(1,2) .PLOT TRAN V(6) .PLOT TRAN @DV1[id] .PLOT TRAN @DV2[id] .PLOT TRAN @D1[id] .PLOT TRAN @D2[id] .PLOT TRAN V(4,3) .PLOT TRAN V(4,6) .END Приложение 2. Перечень чертежей 1. ЭМ3.253.302.Э3 Схема электрическая принципиальная. 2. ЭМ3. 253.302.ПЭ Перечень элементов. 3. ЭМ3. 253.302.01 Плата печатная. (3 листа) 4. ЭМ3. 253.302.СБ Сборочный чертёж. (2 листа) 5. ЭМ3. 253.302 Спецификация. Итого в 8 листов на форматках А4 (прилагаются к пояснительной записке). 28