电子电路设计的一些技巧和注意事项

电子电路设计的一些技巧和注意事项
2007-03-21 11:12
一、电子电路的设计基本步骤：
1、明确设计任务要求：
充分了解设计任务的具体要求如性能指标、内容及要求，明确设计任务。

2、方案选择：
根据掌握的知识和资料，针对设计提出的任务、要求和条件，设计合理、可靠、经济、可行的设计框架，对其优缺点进行分析，做到心中有数。

3、根据设计框架进行电路单元设计、参数计算和器件选择：
具体设计时可以模仿成熟的电路进行改进和创新，注意信号之间的关系和限制；接着根据电路工作原理和分析方法，进行参数的估计与计算；器件选择时，元器件的工作、电压、频率和功耗等参数应满足电路指标要求，元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般应大于额定值的1.5倍，电阻和电容的参数应选择计算值附近的标称值。

4、电路原理图的绘制：
电路原理图是组装、焊接、调试和检修的依据，绘制电路图时布局必须合理、排列均匀、清晰、便于看图、有利于读图；信号的流向一般从输入端或信号源画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出务单元电路，反馈通路的信号流向则与此相反；图形符号和标准，并加适当的标注；连线应为直线，并且交叉和折弯应最少，互相连通的交叉处用圆点表示，地线用接地符号表示。

二、电子电路的组装
电路组装通常采用通用印刷电路板焊接和实验箱上插接两种方式，不管哪种方式，都要注意：
1．集成电路：
认清方向，找准第一脚，不要倒插，所有IC的插入方向一般应保持一致，管脚不能弯曲折断；
2．元器件的装插：
去除元件管脚上的氧化层，根据电路图确定器件的位置，并按信号的流向依次将元器件顺序连接；
3．导线的选用与连接：
导线直径应与过孔（或插孔）相当，过大过细均不好；为检查电路方便，要根据不同用途，选择不同颜色的导线，一般习惯是正电源用红线，负电源用蓝线，地线用黑线，信号线用其它颜色的线；连接用的导线要求紧贴板上，焊接或接触良好，连接线不允许跨越IC或其他器件，尽量做到横平竖直，便于查线和更换器件，但高频电路部分的连线应尽量短；电路之间要有公共地。

4．在电路的输入、输出端和其测试端应预留测试空间和接线柱，以方便测量调试；
5．布局合理和组装正确的电路，不仅电路整齐美观，而且能提高电路工作的可靠性，便于检查和排队故障。

三、电子电路调试
实验和调试常用的仪器有：万用表、稳压电源、示波器、信号发生器等。

调试的主要步骤。

1．调试前不加电源的检查
对照电路图和实际线路检查连线是否正确，包括错接、少接、多接等；用万用表电阻档检查焊接和接插是否良好；元器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良，二极管、三极管、集成电路和电解电容的极性是否正确；电源供电包括极性、信号源连线是否正确；电源端对地是否存在短路（用万用表测量电阻）。

若电路经过上述检查，确认无误后，可转入静态检测与调试。

2．静态检测与调试
断开信号源，把经过准确测量的电源接入电路，用万用表电压档监测电源电压，观察有无异常现象：如冒烟、异常气味、手摸元器件发烫，电源短路等，如发现异常情况，立即切断电源，排除故障；
如无异常情况，分别测量各关键点直流电压，如静态工作点、数字电路各输入端和输出端的高、低电平值及逻辑关系、放大电路输入、输出端直流电压等是否在正常工作状态下，如不符，则调整电路元器件参数、更换元器件等，使电路最终工作在合适的工作状态；
对于放大电路还要用示波器观察是否有自激发生。

3．动态检测与调试
动态调试是在静态调试的基础上进行的，调试的方法地在电路的输入端加上所需的信号源，并循着信号的注射逐级检测各有关点的波形、参数和性能指标是否满足设计要求，如必要，要对电路参数作进一步调整。

发现问题，要设法找出原因，排除故障，继续进行。

（详见检查故障的一般方法）
4．调试注意事项
（1）正确使用测量仪器的接地端，仪器的接地端与电路的接地端要可靠连接；（2）在信号较弱的输入端，尽可能使用屏蔽线连线，屏蔽线的外屏蔽层要接到公共地线上，在频率较高时要设法隔离连接线分布电容的影响，例如用示波器测量时应该使用示波器探头连接，以减少分布电容的影响。

（3）测量电压所用仪器的输入阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。

（4）测量仪器的带宽必须大于被测量电路的带宽。

（5）正确选择测量点和测量
（6）认真观察记录实验过程，包括条件、现象、数据、波形、相位等。

（7）出现故障时要认真查找原因。

四、电子电路故障检查的一般方法
对于新设计组装的电路来说，常见的故障原因有：
（1）实验电路与设计的原理图不符；元件使用不当或损坏；
（2）设计的电路本身就存在某些严重缺点，不能满足技术要求，连线发生短路和开路；
（3）焊点虚焊，接插件接触不良，可变电阻器等接触不良；
（4）电源电压不合要求，性能差；
（5）仪器作用不当；
（6）接地处理不当；
（7）相互干扰引起的故障等。

检查故障的一般方法有：直接观察法、静态检查法、信号寻迹法、对比法、部件替换法旁路法、短路法、断路法、暴露法等，下面主要介绍以下几种：
1．直接观察法和信号检查法：与前面介绍的调试前的直观检查和静态检查相似，只是更有目标针对性。

2．信号寻迹法：在输入端直接输入一定幅值、频率的信号，用示波器由前级到后级逐级观察波形及幅值，如哪一级异常，则故障就在该级；对于各种复杂的电路，也可将各单元电路前后级断开，分别在各单元输入端加入适当信号，检查输出端的输出是否满足设计要求。

3．对比法：将存在问题的电路参数与工作状态和相同的正常电路中的参数（或理论分析和仿真分析的电流、电压、波形等参数）进行比对，判断故障点，找出原因。

4．部件替换法：用同型号的好器件替换可能存在故障的部件。

5．加速暴露法：有时故障不明显，或时有时无，或要较长时间才能出现，可采用加速暴露法，如敲击元件或电路板检查接触不良、虚焊等，用加热的方法检查热稳定性差等等。

五、电子电路设计性实验报告
设计性实验报告主要包括以下几点：
1．课题名称
2．内容摘要
3．设计内容及要求
4．比较和选择的设计方案
5．单元电路设计、参数计算和器件选择
6．画出完整的电路图。

并说明电路的工作原理
7．组装调试的内容，如使用的主要仪器和仪表、调试电路的方法和技巧、测试的数据和波形并与计算结果进行比较分析、调试中出现的故障、原因及排除方法8．总结设计电路的特点和方案的优缺点，指出课题的核心及实用价值，提出改进意见和展望
9．列出元器件清单
10．列出参考文献
11．收获、体会
实际撰写时可根据具有情况作适当调整。

六、电子电路干扰的抑制
1．干扰源
电子电路工作时，往往在有用信号之外还存在一些令人头痛的干扰源，有的产生于电子电路内部，有的产生于外部。

外部的干扰主要有：高频电器产生的高频干扰、电源产生的工频干扰、无线电波的干扰；内部的干扰主要有：交流声、不同信号之间的互相感应、调制，寄生振荡、热噪声、因阻抗不匹配产生的波形畸变或振荡。

2．降低内部干扰的措施
(1) 元器件布局：元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题，
原则之一是各部件之间的引线要尽量短。

在布局上，要把模拟信号部分，高速数字电路部分，噪声源部分（如继电器，大电流开关等）这三部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。

(2) 电源线设计：根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。

同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。

(3) 地线设计：在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。

如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题（详细方法见下节接地）。

(4) 退藕电容配置线路板设计的常规做法之一是在线路板的各个关键部位配置适当的退藕电容。

退藕电容的一般配置原则是：
电源输入端跨接10 ~100uf的电解电容器。

如有可能，接100uF以上的更好。

原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4~8个芯片布置一个1 ~ 10pF的但电容。

对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如 RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。

电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。

此外，还应注意以下两点：
在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用附图所示的 RC 电路来吸收放电电流。

一般 R 取 1 ~ 2K，C 取2.2 ~ 47UF。

CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

3．降低外部干扰的措施有：
(1) 远离干扰源或进行屏蔽处理；
(2) 运用滤波器降低外界干扰。

七、接地
接地分安全接地、工作接地，这里所谈的是工作接地，设计接地点就是要尽可能减少各支路电流之间的相互耦合干扰，主要方法有：单点接地、串联接地、平面接地。

在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。

如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。

电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。

在地线设计中应注意以下几点：1．正确选择单点接地与多点接地
在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。

当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。

高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而租，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。

当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。

2．将数字电路与模拟电路分开
电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。

要尽量加大线性电路的接地面积。

3．尽量加粗接地线
若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。

因此应将接地线尽量加粗。

4． 将接地线构成闭环路
设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。

其原因在于：印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。

功率驱动器件与MCU/DSC 的接口电路设计技巧
类别：接口电路
阅读：986
来源：电子工程专辑 作者：Steve Bowling
由于MCU 和DSC 的成本大幅下降，目前多数马达控制设计中都使用MCU 和数字信号控制器(DSC)来执行马达控制算法。

本文介绍了一些方法和技巧，可将MCU 或DSC 的逻辑层输入/输出口(I/O)与功率电子驱动电路接口，并讲述了如何正确地进行相关硬件及软件开发的方法。

在进行MCU 或DSC 的逻辑层输入/输出口(I/O)与功率电子驱动电路的接口设计时，除了性能和价格需要权衡考虑外，还有许多方面要折衷处理。

我们可根据以下问题来选择接口元件：1. 本电路需要驱动何种马达？2. 该马达采用何种算法进行控制？3. 控制器外设可简化哪些接口要求？4. 电气安全要求是什么？5. 此设计是否用于产品开发？
栅极驱动接口电路
HSPACE=12 ALT="图1：自举电路给一只电容器充电，电容器上的电压基于高端输出晶体管源极电压上下浮动。

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半桥输出电路结构可用于控制多种马达，包括有刷直流马达、无刷直流马达、交流感应式马达及永磁交流马达。

电源级电路需要一个栅极驱动接口电路，该电路至少应具备以下功能：1. 将MCU的逻辑输出电平进行转换，在晶体管的栅极和源极间提供一个10-15V 的电平。

2. 在晶体管的开通和关断时提供足够大的驱动电流，以克服米勒电容的影响。

高端输出器件向来是栅极驱动接口电路的一个问题。

在电源输出级电路中，无论是高端或低端输出都应该采用N沟道器件。

在裸片尺寸和击穿电压固定的情况下，P沟道器件的导通电阻往往比N沟道器件高。

使用P沟道器件可简化栅极驱动电路，但会增加设计成本。

裸片尺寸越大成本越高，而且P沟道器件往往比同类的N沟道器件成本高。

由于低端器件的电位是相对于电路的接地点而言的，因此在电源级电路中产生一个用于低端器件的栅极电源电压十分容易。

栅极控制电压必须以源极电压为参考，在高端晶体管中它是满幅电压。

因此，电源级电路中的高端器件需要一个栅极电源，该电源基于源极电压上下浮动。

现在有许多便宜的IC可简化栅极驱动电路的设计。

但其中有些只是简单的大电流驱动电路，不具备高端器件所需的电平转换电路。

另一些则包括电平转换电路，可直接与逻辑及功率器件接口。

选择栅极驱动器时要视设计的绝缘要求而定。

光电耦合器既可以满足电
平转换要求，又使我们可在设计中选用简单的栅极驱动器IC。

在许多马达控制设备中，线路总电源从与AC线路直接相连的全波整流电路获得并经过滤波。

整流器的低端电压成为整个电路的参考电压(0V)。

不过，这一参考电压并非接地电压。

在低端也存在交流电压，它在OV左右和峰值线电压间来回波动。

在许多低成本应用中，将MCU或DSC基于这一低端电位上下浮动是有意义的。

不过，如果设计要求测试或现场服务的话，出于安全考虑最好加上信号隔离。

至少在产品开发阶段使用的马达驱动硬件应该具有信号隔离功能。

即使从尽量减少破坏来考虑，也应该采用隔离电路。

在某一具体设计中，即使没有隔离反馈信号，也应该隔离栅极控制信号。

否则，电源器件可能会损坏或短路，从而使得直流总线电压通过驱动电路耦合回来并流入逻辑器件中。

栅极驱动器IC通常具有其它特性，包括欠压断电保护、插入一段死区、防止高端功率器件和低端功率器件交叉导通以及过电流自动关机等。

不过这些功能也会增加额外成本。

有多种方法可产生栅极驱动电路的电源。

原则上来说，高端驱动电路应该产生一个比DC总线电压高出10-15V的电压，用于输出级电路。

由于自举电路无需浮动电源，因此是最便宜的。

如图1所示，自举电路给一只电容器充电，电容器上的电压基于高端输出晶体管源极电压上下浮动。

下面的晶体管开通时将高端晶体管的源极电压拉到0 V，只有此时电路才对电容器充电。

电容器必须储备足够的电荷，以便在上端的晶体管处于开通状态时维持所需的栅极电压。

由于带有电容器，自举电源无法保证上面的晶体管一直开通。

当自举电容器上的电压下降时，高端器件便会关断。

由自举电路的局限性所产生的副作用与马达类型有关。

对用正弦波电流驱动的马达而言，自举电路会限制加在反相器上的PWM占空比。

我们可以通过改变自举电路中元件的大小来增大占空比。

不过，由于BLDC和SR电动机需要换相，因此通常不采用自举电路。

如果高端器件的栅极驱动必须保持连续，那么必须使用浮动电路来产生比直流总线电压高10 V至15 V的电压。

我们可以采用充电泵电路，它的电压是相对高端晶体管的源极电压而言的。

另一种方法则是用一个高频信号来调制栅极信号，这样在栅极驱动信号出现时，高频信号也会出现。

在图2中，调制信号通过一只变压器耦合到晶体管的栅极和源极，并在变压器的次级经过整流产生栅极驱动电压。

但是，这两种方法都会增加设计的成本。

马达反馈信号
马达和电源控制电路需要提供各种信号，这些信号视马达的类型及控制算法而定。

采集一种反馈信号的方法很多。

例如，许多马达控制算法需要知道负载中的相电流。

测量相
电流的最简单方法是使用霍尔效应电流传感器。

霍尔传感器与驱动马达的高压电路完全隔离，它使用逻辑电路的电源，连接到MCU或者DSC中的A/D转换器时所需元件极少，缺点则是成本高。

测量相电流的另一个方法是采用PWM电流传感器IC。

它测量一只与负载串联、对电流敏感的电阻器上的电压降。

经过设计，这些器件基于功率输出级输出的满幅电压上下浮动，并采用自举电源供电。

这种传感器的输出是PWM信号，它的占空比与感应电阻器中的电流成正比，并有两种方法与微控制器连接。

第一种方法是采用一个RC滤波器网络对PWM的输出信号滤波，并把它转换成模拟信号。

这个方法的缺点是，控制算法要求滤波器输出中没有纹波和相位误差。

此外使用滤波器也增加了设计的成本。

另外一个方法是直接把PWM的输出信号送到微控制器上的输入采集外设引脚上(图3)。

这一外设在输入信号处于上升沿和下降沿(或两者)时采集数字时基信号的脉冲数，并用应用软件进行处理，从而计算出输入信号的周期、频率或者占空比。

当控制器上有“输入采集”引脚时，我们也可以在设计中加上隔离式模拟放大器，通过数字转换来得到相电流。

用V/F或者电压/PWM转换器把模拟信号转换成数字信号。

模拟信号可用数字式光耦合器通过隔离电路传到控制器。

与模拟隔离方案相比，V/F转换器+光耦合器方案成本较低。

HSPACE=12 ALT="图4：用差动放大器来放大电阻器两端的电压，然后送入A/D转换器的输入端。

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测量相电流的第三个方法是，在电源级电路的每个低端晶体管源极串联一只感应电阻器(图4)，用差动放大器来放大电阻器两端的电压，然后送入A/D转换器的输入端。

在使用这个方法时，A/D转换器必须与控制晶体管的PWM信号同步。

为了得到精确的电流信号，
应当在电源输出级中的低端晶体管开通时进行测量。

在使用分流电阻进行测量时，内建有A /D同步逻辑电路的控制器很有用。

进行软件开发
用传统的仿真器来开发马达控制软件比较困难。

使用仿真器时，设计人员可以在任何时刻停止应用软件的执行，以便查看寄存器值以及代码执行情况。

但是，在某些时刻停止软件执行其实会对马达和电源电路造成极大影响。

在停止软件执行时，PWM 控制值不再更新，马达和电源输出级电路中便会出现较大的直流电流。

为了解决这一问题，应该通过仿真器将PWM信号置于不会损坏负载的状态。

例如，dsPIC30F系列PWM外设部件可在仿真器停止时将所有PWM输出引脚设置在低电平状态。

这时所有输出器件都关断，马达慢慢停下来。

在产品开发过程中，加入额外的硬件保护功能十分有用。

这些功能可在产品开发过程出现软件错误时保护硬件不受损坏，并可在正式生产时去除以节省成本。

这些功能包括限流、总线电压过载保护及在高、低端晶体管同时导通时关机。

本文小结
在选定某种控制器后，我们便要选择相应的元件来连接控制器和电源输出级电路。

通用MCU能够满足算法需求，但是它可能不具备与马达控制直接相连的外设部件。

我们必须在接口电路中增加相应硬件，以保护输出器件或处理反馈信号。