《電子線路CAD設計項目化教程》課件項目二 直流穩(wěn)壓電源電路

項目二直流穩(wěn)壓電源電路

直流穩(wěn)壓電源電路是電子線路設計中一種基本的電路，在電子整機內部均有所使用。一般電子整機使用的是直流電，但是市電電壓是220V，50Hz的交流電，所以在電子整機內部含有電源變換電路，將220V、50Hz的交流電改變?yōu)殡娮诱麢C能夠正常工作的直流電壓給設備供電。本項目所講的就是基本的直流穩(wěn)壓電源電路設計。其中涉及到兩個電路，一個是利用LM78XX/79XX系列三端穩(wěn)壓器設計的固定穩(wěn)壓電源電路。2.1概述

三端固定直流穩(wěn)壓電源電路

2.1概述

三端可調穩(wěn)壓電源電路

2.1概述這兩個穩(wěn)壓電路實際上是一個二級穩(wěn)壓方式，電路中的AC_IN接變壓器的次級，變壓器的次級輸出經(jīng)過二極管（或整流橋）、大容量電容整流濾波穩(wěn)壓后給穩(wěn)壓器供電，穩(wěn)壓器把整流濾波后的直流電壓再進行穩(wěn)壓輸出。不直接使用整流、濾波穩(wěn)壓是因為輸出后的直流電壓會隨著輸入交流電壓的改變而改變。我們通常所說的市電理論上是220V，50Hz的交流電，但是實際上由于供電線路、市電變壓器變換和負載接入等原因，市電電壓會有一定的波動，最高可能會到交流240V，最低可能只有190V，這也會導致單純使用整流、濾波穩(wěn)壓電路會引起輸出電壓不穩(wěn)定。2.1概述2.1.1整流濾波電路工作原理

2.1概述2.1.2三端固定穩(wěn)壓和三端可調穩(wěn)壓器市面上常用的三端固定穩(wěn)壓器是正電壓輸出的LM78XX系列，負電壓輸出的LM79XX系列。LM78XX、LM79XX系列有三個引腳，IN（輸入）、GND（接地）和OUT（輸出腳）。LM78XX系列輸出正電壓，LM79XX系列輸出負電壓。

2.1概述2.1.2三端固定穩(wěn)壓和三端可調穩(wěn)壓器LM317和LM337是市面上比較常見的可調穩(wěn)壓器，它和LM78/79系列的不同在于其輸出直流電壓可以連續(xù)可調。

2.1概述2.1.2三端固定穩(wěn)壓和三端可調穩(wěn)壓器

LM317典型應用電路如圖所示。圖中給出了輸出電壓的計算公式，其中參考電流為可調電阻R2上的電流，這個電流很小，在計算時可以忽略。2.1概述2.1.3整流二極管和整流橋整流橋是一個將4個相同參數(shù)的整流二極管封裝在一起的器件，內部整流二極管的連接形式是固定的。整流二極管市面上也有很多，常見的有IN4000系列，IN5400系列等。

2.1概述2.1.3整流二極管和整流橋

常用的IN400X系列整流二極管的基本參數(shù)。

2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.1自定義元件原理圖符號

三端固定穩(wěn)壓器LM78XX，LM79XX和三端可調穩(wěn)壓器LM317，LM337在默認原理圖庫文件MiscellaneousDevices.lib中找不到，需要我們自己定義。我們首先先創(chuàng)建一個設計數(shù)據(jù)庫，命名為“自定義元件庫.ddb”，如圖2-10所示。保存好設計數(shù)據(jù)庫后，在該設計數(shù)據(jù)庫的文件夾中創(chuàng)建一個新文件：原理圖庫文件，命名為“自定義元件原理圖庫文件.lib”。2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.1自定義元件原理圖符號

2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.1自定義元件原理圖符號

雙擊打開新建的“自定義元件原理圖庫文件.lib”。2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.1自定義元件原理圖符號

自定義元件原理圖符號的步驟：

1、創(chuàng)建新元件：執(zhí)行“Tools（工具）->NewComponent（新元件）”菜單命令，進入新元件創(chuàng)建對話框，修改元件名稱為LM78XX。2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.1自定義元件原理圖符號2、繪制元件外形：利用鼠標左鍵單擊繪圖工具欄中的矩形繪制工具，鼠標光標變?yōu)槭止鈽?，在工作窗口選擇繪制的起點和終點繪制矩形。2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.1自定義元件原理圖符號

3.放置引腳：鼠標左鍵單擊繪圖工具欄中的引腳放置工具，光標變成十字光標，同時出現(xiàn)元件引腳，移動鼠標，在需要放置引腳的位置單擊鼠標左鍵即可，取消引腳放置單擊鼠標右鍵。注意：元件引腳的電氣節(jié)點朝外。元件引腳的電氣節(jié)點2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.1自定義元件原理圖符號4.修改元件引腳屬性參數(shù)：將光標放在元件引腳上方，雙擊鼠標左鍵系統(tǒng)彈出元件引腳屬性參數(shù)設置對話框。2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.1自定義元件原理圖符號

修改引腳屬性參數(shù)后，LM78XX系列元件符號如圖。2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.1自定義元件原理圖符號5.修改元件標號：在繪制好LM78XX的原理圖符號后，單擊管理窗口的Description按鈕，進入元件描述對話框，如圖所示。在該對話框中將Default改為“U?”。不同類型元件的前綴不同，設置時可以參考元件的英文名稱的第一個字母。2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.1自定義元件原理圖符號

按照以上操作步驟，繪制其余三端穩(wěn)壓器的原理圖符號。

LM79XXLM317LM3372.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.2直流穩(wěn)壓電源電路的原理圖繪制新建一個新的設計數(shù)據(jù)庫，命名為“直流穩(wěn)壓電源電路.ddb”。之后創(chuàng)建一個新的原理圖文件，命名為“三端固定穩(wěn)壓器.sch”，我們先繪制固定穩(wěn)壓電源電路的電路原理圖，基本流程如下。1.加載元件庫。打開原理圖文件，在管理窗口中選擇BrowseSch，在庫列表下方單擊Add/Remove按鈕。2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.2直流穩(wěn)壓電源電路的原理圖繪制

系統(tǒng)會彈出更改庫文件列表對話框。2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.2直流穩(wěn)壓電源電路的原理圖繪制在路徑中找到存放自定義元件庫的文件夾，單擊鼠標左鍵選中自定義元件庫.ddb文件，單擊Add添加自定義元件庫。2.2直流穩(wěn)壓電源電路原理圖繪制2.2.2直流穩(wěn)壓電源電路的原理圖繪制

原理圖庫文件添加后，在原理圖編譯器中的庫列表中，除了之前的默認庫MiscellaneousDevices.lib，還有之前創(chuàng)建的自定義元件原理圖庫.lib。單擊Browse按鈕，可以瀏覽當前庫中的元器件。

添加我們自定義的元件庫后，就可以在元件列表中找到新建的三端穩(wěn)壓器了。原理圖繪制請結合項目原理圖自行完成。2.3自定義元件封裝和元件的原理圖符號一樣，我們在99SE的默認封裝庫中也找不到整流橋、發(fā)光二極管、10uf電解電容、LM78/79，LM317/337等器件的封裝，需要我們自己設計。

在項目一中，我們講了封裝的定義，它是指電子元器件在電路板上安裝的垂直投影，包含元件外形輪廓、尺寸大小、引腳類型、引腳個數(shù)、焊盤位置等信息，由于元件的類型多種多樣，新器件層出不窮，有些元件在99SE的封裝庫中很難找到與之合適的封裝，甚至找不到封裝，這就需要我們自己繪制。99SE提供元件封裝庫編輯器，我們可以自行繪制需要的元件封裝。2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計

圓柱直插式電解電容的封裝在99SE的PCBFootprints.lib封裝庫中有4種：RB.2/.4、RB.3/.6、RB.4/.8和RB.5/1.0。但這四種封裝的尺寸要比10uf電解電容的尺寸略大，所以我們需要重新定義10uf電解電容封裝。2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計1.創(chuàng)建PCB封裝庫文件。打開我們之前創(chuàng)建的“自定義元件庫.ddb”，在當前設計數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建一個新的PCB封裝庫文件，命名為“自定義封裝庫.lib”。2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計雙擊打開，可以看到PCB封裝庫編譯器界面如圖所示。2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計2.更改封裝名

在圖中，封裝列表只有一個默認封裝PCBCOMPONENT_1，我們需要對名稱進行修改。更改封裝列表的封裝名稱有兩種方法：（1）在封裝列表中鼠標左鍵單擊選中默認封裝PCBCOMPONENT_1，執(zhí)行“Tools（工具）->RenameComponent（重命名）”菜單命令；（2）在封裝列表中鼠標左鍵單擊選中默認封裝，然后單擊鼠標右鍵在下拉菜單中選擇Rename（重命名）。將當前封裝名稱命名為RB.1/.2。“.1”表示電容器兩個引腳之間的間距是0.1in，即100mil；“.2”表示投影圓形的直徑是0.2in，即200mil，這樣修改主要為了與99SE封裝庫中電容器的封裝名稱命名一致。2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計3.繪制投影邊界。

在工作窗口中，將圖紙放大，將電路板層切換到TopOverlayer（頂層絲印層），以圖紙原點為坐標中心，單擊放置圓弧工具，鼠標光標變成十字光標，移動光標到坐標原點，單擊鼠標左鍵，移動鼠標放置一個完整圓形。

繪制元件封裝必須在PCB封裝庫編譯器中的坐標原點周圍繪制，原點的坐標是（0,0）點，原點如果不好找，這時可以執(zhí)行“Edit（編譯）->Jump（跳轉）->Reference（原點）”菜單命令，這時鼠標光標所指向的點就是坐標原點。坐標原點2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計

10uf電解電容在電路板上的投影圓的直徑為200mil，在之前我們繪制的圓弧是隨意放置的，沒有對投影圓的尺寸參數(shù)進行修改。在放置圓形邊界完成后，把光標移動到圓形邊界上方，雙擊鼠標左鍵，進入圓弧屬性參數(shù)設置對話框。設置圓半徑為100mil。

2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計4.放置焊盤。電容的引腳是針腳，引腳直徑0.6mm。鼠標左鍵單擊焊盤放置工具，移動鼠標，在圓形邊界內放置焊盤，兩個焊盤的位置在X軸上。且間距為100mil。注：單位切換快捷鍵Q。2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計

可以看出，焊盤內部有序號標注。把鼠標光標移動到左邊焊盤上方，雙擊鼠標左鍵，出現(xiàn)焊盤屬性設置對話框。2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計一般對于不同類型的元件，引腳有不同類型，那么焊盤的外形也不同。對于大多數(shù)直插器件而言，引腳大多數(shù)都是針腳。那么我們需要考慮的是焊盤的HoleSize（孔徑大小）、X-size和Y-size（外徑大?。?，及X-Location和Y-Location（位置坐標）等信息。一般焊盤的孔徑至少要大于引腳直徑，至少超過引腳直徑0.2mm，外徑至少是孔徑的2倍。比如，10uf電解電容引腳的直徑是0.6mm，那么焊盤孔徑至少應該是0.8mm；才能保證元件正常安裝。焊盤的外徑至少為1.6mm，才能保證基本焊接。2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計

焊盤的形狀有三種類型：Round（圓形），Rectangle（矩形）和Octagonal（八角），如圖所示。焊盤的類型可以自行選擇，通常使用Round。2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計將10uf電容封裝的焊盤參數(shù)如下，左邊焊盤的位置在X軸-50mil處，即坐標為（-50mil，0），右邊焊盤位置在X軸+50mil處，即坐標為（50mil，0）。焊盤放置完成后，修改焊盤的尺寸大小，將焊盤的孔徑設置為30mil，外徑設置為70mil。注意：焊盤的序號應與元件原理圖符號的引腳序號保持一致。2.3自定義元件封裝2.3.110uf小電解電容封裝設計5.5.添加注釋信息添加注釋信息。在1號焊盤的上方，放置“+”來表示正極。用來確認裝配方向。繪制完成的RB.1/.2封裝如圖所示。2.3自定義元件封裝2.3.2發(fā)光二極管的封裝設計

發(fā)光二極管是一類常用的顯示器件，市面上常見的發(fā)光二極管有圓柱體，立方體；裝配方式有直插和貼片；顏色多種多樣。一般作顯示用的圓柱直插式發(fā)光二極管的投影圓直徑有兩個參數(shù)：3mm和5mm，兩個引腳之間的間距為100mil。2.3自定義元件封裝2.3.2發(fā)光二極管的封裝設計發(fā)光二極管的封裝可以在之前創(chuàng)建好的元件封裝庫中，執(zhí)行“Tools（工具）->NewComponent（新元件）”菜單命令進入新元件封裝設計向導對話框。2.3自定義元件封裝2.3.2發(fā)光二極管的封裝設計單擊Cancel，取消向導操作，這時在元件封裝列表中出現(xiàn)了一個新封裝。將新封裝的名稱改為LED5。重新命名2.3自定義元件封裝2.3.2發(fā)光二極管的封裝設計在工作區(qū)域找到坐標原點，適當將圖紙放大，利用放置圓形工具，在絲印層繪制器件的投影邊界，半徑設置為2.5mm。通過焊盤放置工具，在X軸放置兩個焊盤，兩個焊盤之間的間距為100mil。修改焊盤屬性，焊盤的外徑設置為2mm，孔徑為1mm。對照原理圖發(fā)光二極管符號的引腳序號，將焊盤序號命名為A和K。2.3自定義元件封裝2.3.2發(fā)光二極管的封裝設計按照相同的操作方法，繪制直徑3mm的發(fā)光二極管的封裝，封裝命名為LED3該發(fā)光二極管投影圓形的直徑3mm，兩個引腳之間的尺寸是100mil。焊盤孔徑、外徑參數(shù)設置與LED5封裝相同，焊盤的序號也是A和K。2.3自定義元件封裝2.3.3整流橋封裝設計在三端固定穩(wěn)壓電源電路中，整流部分用到的是整流橋，這個元件的封裝在默認庫中也沒有。市面上常見的整流橋外形有片式直插、圓柱式直插和方形貼片等。2.3自定義元件封裝2.3.3整流橋封裝設計我們以一個3A片式直插整流橋為例，講解整流橋封裝的設計方法。3A片式直插整流橋的外形和尺寸參數(shù)如圖所示。2.3自定義元件封裝2.3.3整流橋封裝設計可以看出，這個整流橋的投影邊界是一個矩形，且有四個引腳，對應的焊盤應在投影邊界矩形內部。在元件封裝庫中新建一個封裝，命名為BRIDGE1。2.3自定義元件封裝2.3.4穩(wěn)壓器封裝設計對于LM78XX/79XX和LM317/337來說，直插方式的穩(wěn)壓器在外形尺寸上是相同的，都是TO-220封裝。所以在PCB上如果垂直安裝的話，封裝可以是相同的。不過對于穩(wěn)壓器件而言，工作時由于電流較大，使用時要安裝散熱器，防止器件正常工作時因熱量過高而損壞。2.3自定義元件封裝2.3.4穩(wěn)壓器封裝設計一般情況下，將穩(wěn)壓器和所帶散熱器封裝結合設計，散熱器有很多種類型，通常情況下散熱器越大，散熱效果越好，但是體積和PCB上所占面積也會增大。帶散熱器的穩(wěn)壓器2.3自定義元件封裝2.3.4穩(wěn)壓器封裝設計我們這里給出一個典型的TO-220元件對應散熱器尺寸圖，如圖所示。2.3自定義元件封裝2.3.4穩(wěn)壓器封裝設計三端穩(wěn)壓器的尺寸參數(shù)如圖所示，單位mm。這個尺寸參數(shù)可以從三端穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)手冊中找到。2.3自定義元件封裝2.3.4穩(wěn)壓器封裝設計結合散熱器和三端穩(wěn)壓器的尺寸參數(shù)，繪制帶散熱器的穩(wěn)壓器封裝，在自定義元件封裝庫中，新建元件封裝，命名為TO-220A。2.3自定義元件封裝2.3.5接口封裝設計在直流穩(wěn)壓電源電路中，使用三端接口，這個主要方便連接變壓器次級輸出。我們所要設計的接口器件的外形和尺寸參數(shù)如下。注：P指Pin，即一針。2.3自定義元件封裝2.3.5接口封裝設計在自定義封裝庫中，執(zhí)行“Tools（工具）->NewComponent（新元件）”菜單命令，創(chuàng)建兩個新封裝，接口封裝分別命名為SIP2_0.2，SIP3_0.2，這里需要創(chuàng)建兩個封裝。一個是兩端插頭，一個是三端插頭。2.3自定義元件封裝

THT元件封裝設計步驟：（1）在元件封裝庫編輯其中找到坐標原點，根據(jù)元件尺寸參數(shù)，在TopOverlayer（頂層絲印層）繪制元件的投影輪廓。（2）確定焊盤坐標位置，根據(jù)元件引腳尺寸確定焊盤孔徑和外徑。（3）重新標記焊盤序號，與元件原理圖符號引腳序號一致。（4）在TopOverlayer繪制元件的極性信息或特殊標記，方便安裝。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.1添加元件封裝庫打開“直流穩(wěn)壓電源電路.ddb”設計數(shù)據(jù)庫中的“三端固定穩(wěn)壓電源電路.sch”，根據(jù)下表添加元件封裝。添加元件封裝，創(chuàng)建網(wǎng)絡表，在該設計數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建一個PCB文件，命名為“三端固定穩(wěn)壓電源電路.pcb”。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.1添加元件封裝庫打開創(chuàng)建好的PCB文件，進入PCB編輯器界面。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.1添加元件封裝庫在Browse（瀏覽）中選擇Libraries（庫文件），可以看出封裝庫列表中只有PCBFootprints.lib封裝庫。添加封裝庫：單擊封裝庫列表下方的“Add/Remove（添加/移除）”按鈕。系統(tǒng)彈出添加PCB庫文件對話框。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.1添加元件封裝庫在電腦中找到我們之前設計的自定義元件庫.ddb文件，選中后，單擊Add添加，然后單擊OK確認。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.1添加元件封裝庫

加載完封裝庫，執(zhí)行“Design（設計）->LoadNetlist（加載網(wǎng)絡表）”菜單命令，加載“三端固定穩(wěn)壓電源電路.net”。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.1添加元件封裝庫如果加載網(wǎng)絡表沒有錯誤，即可點擊Execute執(zhí)行即可。這時能夠在PCB編譯器中找到加載后的元件封裝圖形。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.1添加元件封裝庫三端固定穩(wěn)壓電源電路的PCB設計的具體要求：（1）單面板對稱布局，正、負電源穩(wěn)壓線路器件對稱布局，元件之間的距離合理；（2）線寬要求：地線寬度不小于2mm，電源線寬度不小于1.8mm，其余導線寬度不小于1.5mm；（3）在電路板四角放置固定螺絲孔，孔徑3mm，外徑4mm；焊盤中心距電路板邊界3.5mm；（4）電路板尺寸不能超過60mm*100mm；三端固定穩(wěn)壓電源電路是一個正、負電源對稱的電路，所以在PCB設計時我們也可以對稱設計，這樣做可以將正、負電源電路的相關元件分開，使安裝、維修方便。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.1添加元件封裝庫

參考三端固定穩(wěn)壓電源電路PCB。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.2封裝修改如果在PCB設計中，有些元件的封裝我們不滿意，可以在庫文件編譯器中進行修改。這里以電解電容封裝為例講解封裝的修改方法。1.在PCB編譯器界面中，找到PCBFootprints.lib庫所需要修改的電解電容封裝RB.2/.4。單擊封裝列表下方的Edit按鈕，進入封裝庫編輯器中。

2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.2封裝修改封裝庫編譯器

2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.2封裝修改

2.修改原點和標記信息。在默認庫中，封裝的坐標原點都是以1號焊盤為坐標原點，而通常我們在使用中，這樣的封裝在進行旋轉、坐標位置設置等操作時都不方便，我們可以將對稱元件的封裝設置為電解電容器投影圓形的圓心，同時把“+”標示放在1號焊盤上方。

2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.2封裝修改3.保存修改元件封裝完成后，及時保存。鼠標左鍵單擊主工具欄保存工具保存當前操作。4.關閉原理圖編譯器保存完成后，關閉當前封裝編譯器界面。修改完成的封裝只需要重新調用即可使用。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.3精準的PCB對稱布局三端固定穩(wěn)壓電源電路是一個雙電源輸出，正、負對稱。所以我們可以在PCB設計時，預先設置一個原點，器件在排列時以X軸或Y軸為對稱中心，通過設置元件位置坐標來實現(xiàn)對稱布局。利用原點設置工具，鼠標左鍵單擊原點設置工具，光標變成十字光標，移動鼠標，在需要置為原點的位置單擊鼠標左鍵即可。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.3精準的PCB對稱布局移動光標，在左下角的狀態(tài)欄中就能看到當前光標所指示位置的坐標，如圖所示。2.4直流穩(wěn)壓電源電路的PCB設計2.4.3精準的PCB對稱布局在這個設置中，我將AC_IN的第2焊盤設置為坐標原點。這時，可以放置元件后，雙擊元件，出現(xiàn)的屬性對話框中就可以設置元件的坐標位置，如圖所示。元件坐標2.5PCB設計中的一些技巧2.5.1焊盤補淚滴在一般的PCB設計中，如果導線比較細，焊盤較小，為了保證焊盤與導線的可靠連接，有的時候需要進行補淚滴操作。正常連接補淚滴2.5PCB設計中的一些技巧2.5.1焊盤補淚滴補淚滴操作方法：執(zhí)行“Tools（工具）->Teardrops（補淚滴）”菜單命令或直接利用鍵盤快捷操作T->T，系統(tǒng)彈出補淚滴操作對話框。使用默認參數(shù)，單擊OK即可。

2.5PCB設計中的一些技巧2.5.2布線規(guī)則設置

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Routing：布線規(guī)則選項卡，用來規(guī)定PCB設計中的走