【文章內(nèi)容簡介】 制線路板。英文名稱是 Printed Circuit Board（也有稱 Printed Wiring Board），縮寫是 PCB（ PWB）。印制電路板是電子工業(yè)的重要部件之一。幾乎每種電子設(shè)備，小到電子手表、計算器，大到計算機、通信電子設(shè)備、軍用武器系統(tǒng)，只要有集成電路等電子元器件，為了電器互聯(lián)，都要使用印制電路板。印制電路板的設(shè)計和制造質(zhì)量直接影響到整個產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，甚至影響到商業(yè)競爭的成敗。 焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 引言 4 印制電路板的基板一般是由絕緣、隔熱并 且不容易彎曲的材料 所制作而成。在表面可以看到的細小線路材料就是銅箔，原本銅箔是覆蓋在整個板子上的，而在制造過程中部分銅箔被蝕刻掉，留下來的銅箔就變成網(wǎng)格狀的細小線路。這些 線路被做成導(dǎo)線（ Conductor Pattern），用來提供印制電路板上元器件的電路連接。 為了將元器件固定在印制電路板上面，可將管腳直接焊在焊盤 上 。焊盤用于固定元器件引腳或引出連線等，焊盤有圓形、矩形等多種形狀。在最基本的印制電路板（單面板）上，元器件都集中在其中的一面，導(dǎo)線則集中在另一面。這么一來就需要在板子上打孔，這樣管腳才能穿過 板子 到另一面，所以元器件是焊在另一面上的。因此，印制電路板正反面分別被稱為元器件面（ Component side）與焊接面（ Solder Side）。 電子元器件的發(fā)展促進 了印制電路的形成與發(fā)展。印制電路的批量生產(chǎn)和大量使用是由于電子工業(yè)發(fā)展到了晶體管時代，這期間主要是單面印制電路板。當發(fā)展到集成電路時代后，就出現(xiàn)了雙面和多層板。隨著半導(dǎo)體元器件集成度的逐漸提高，引線數(shù)增多以及 SMT 的沖擊，在一塊印制電路板上容納的元器件越來越多，因此要求印制電路板布線需要高密度化。在電性能方面，為了使傳輸?shù)难舆t時間最短，要限制布線長度。為降低雜音、抗電磁干擾及散熱等要提高設(shè)計水平。在制造工藝方面，從設(shè)計、各種原材料、設(shè)備到工藝和產(chǎn)品檢查技術(shù)都有了長足進步。對于專業(yè)的印制板廠，目前趨向于生產(chǎn)上 檔次產(chǎn)品，并向大規(guī)模和自動化方向發(fā)展。即依靠科技進步和技術(shù)改造，進行工藝、設(shè)備的更新和自動化來大量生產(chǎn)表面安裝印制板，參與市場競爭和獲取更大利潤。 在電子整機設(shè)備中由于采用了印制電路板，避免了人工接線的差錯，實現(xiàn)了自動插裝、焊接、和檢測。從而保證了電子整機產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，還提高了勞動生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，方便了維修。 焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 無線 充電電路 5 2 無線充電電路 無線充電的原理 無線電力傳輸?shù)脑聿⒉粡?fù)雜，從原理上，電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產(chǎn)生電磁波首先要有電磁振 蕩，電磁波的頻率越高其空間輻射能量強度就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于 100kHz，才有足夠的電磁輻射。接著利用功率放大電路提高其振幅以獲得更大的能量，通過發(fā)射和接收線圈的耦合、對接收的電能進行整流濾波，這樣就可以進行電能的無線傳輸了。 無線充電系統(tǒng)一般由電源電路，高頻振蕩電路，高頻功率放大電路，發(fā)射、接收線圈和高頻整流濾波電路 5 部分組成。 電路設(shè)計前的分析 無線充電系統(tǒng)的電源部分可以用次級為 12V的 50Hz交流電源變壓器結(jié)合普通的整流濾波二極管組成的整流濾波電路組成。而這部分電路完全可以用太陽能充電 電路代替。 高頻振蕩電路的核心是振蕩器，我們可以使用 2M 的石英晶體來產(chǎn)生振蕩，也可以用比較簡單的 300kHz 的振蕩電路來產(chǎn)生振蕩。 放大電路的作用是將高頻信號的能量提升到足以進行無線輸送電能的程度。由于放大后的振蕩輸出是用于能量功率，而不是信號，所以波形失真并不重要。輸出信號不但要有足夠的振幅，放大電路還要簡單，符合這些條件的器件和電路有許多，在這里，選用功率場效應(yīng)管電路或者達林頓管兩種電路比較適合。 發(fā)射接收線圈是無線充電器的重要橋梁，次級線圈接收到的交流電能信號后要轉(zhuǎn)換成直流信號才能用于鋰電池的充電。 發(fā) 射和接收線圈都可選用直徑 左右的漆包線繞 12 匝，線圈直徑約為 8mm。 也就是說如果在手機內(nèi)部集成一個接收電路，就可以為用電器內(nèi)的鋰電池進行無線充電而無需電源線連接。 電路的設(shè)計 對于無線充電電路來說，有三部分最主要的電路：振蕩電路、放大電路和無線接收電路。這里主要討論利用多諧振蕩器和模擬達林頓管組成的無線充電電路。 焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 無線 充電電路 6 多諧振蕩器產(chǎn)生振蕩是最簡單的振蕩電路，構(gòu)成振蕩電路有多種方法，常見的有用 COMS 門電路構(gòu)成的多諧振蕩器，電路簡單省電，但在經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)振蕩幅度不夠，高頻段更 是如此。 所以我們選用的是用晶體管組成的多諧振蕩器，用晶體管作多諧振蕩器有兩種電路： 第一種是集電極 — 基極耦合多諧振蕩器，這種多諧振蕩器在低頻段效果還可以，但在高頻段就無法應(yīng)用。因為集電極 — 基極耦合多諧振蕩器的輸出上升沿差，為使輸出幅度穩(wěn)定，兩只晶體三極管工作在飽和狀態(tài)，因而使電路的最高工作頻率受到限制。 第二種是發(fā)射極耦合多諧振蕩器，它可以克服第一種振蕩器的缺點，兩只晶體三極管工作在非飽和狀態(tài)，提高了三極管的開關(guān)速度，從而可以得到更高的振蕩頻率。耦合電容接在發(fā)射極上，能改善輸出波形。最后我們選用的晶體管多 諧振蕩器就是發(fā)射極耦合多諧振蕩器，亦稱射極耦合多諧振蕩器。 下面 圖 1 是三種多諧振蕩器的電路圖： RtRs Ct Rc R R RcCC+ 1 2 V (a) CMOS 門電路構(gòu)成的多諧振蕩器 （ b）集電極 基極耦合多諧振蕩電路 R b 1 R c 1 R c 2R b 2 R e 1 R e 2CCo u t+ 1 2 V (c)發(fā)射極耦合多諧振蕩器 圖 1 多諧振蕩器電路 功率放大電路 焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 無線 充電電路 7 由達林頓管組成的功率放大電路僅一級功放就有一定的功率輸出，所以非常適合作為放大器件來用。達林頓管內(nèi)部電路比較簡單，主要由兩級三極管組成，極性只認前面的三極管，用法跟三極管一樣，放大倍數(shù)是三極管放大倍數(shù)的乘積。所以我 們可以用兩級三極管模擬搭建，前級用中小功率管 S8050，后級用中大功率管 2SD882，由于中大功率管耗散功率要大一些，所以最好為其加上散熱片。 以下 圖 2 是達林頓管內(nèi)部電路和模擬達林頓管的電路圖： + 1 2 VL1C1505kT I P 1 3 2 + 1 2 VL1CR2R14 . 7 k150V T 1S 8 0 5 0V T 22 S D 8 8 2 (a)達林頓管電路 (b)模擬達林頓管電路 圖 2 達林頓管和模擬達林頓管電路 接收電路 次級接收線圈接收的電磁波是高頻電磁波，將高頻交變電流整流為直流電流是不能用普通整流二極管的，將普通整流二極管用于高頻電路，不但效率低下而且會迅速發(fā)熱燒毀。影響高頻整流效率的主要參數(shù)是二極管的反向恢復(fù)時間（ Reverse Recovery Time）和結(jié)電容（ Junction capacitance）特別是反向恢復(fù)時間影響最大。 從電容二極管的性能來看，肖特基二極管（ Scotty Barrier Rectifiers）最顯著的特點為反向恢復(fù)時間極短（小于 10ns），正向?qū)▔航祪H為 伏左右，屬一種低功耗、 超高速半導(dǎo)體器件。但它的反向耐壓值較低，一般不超過 100 伏，因此適宜在低壓、大電流情況下工作。 但我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)用極為廣泛的硅高速開關(guān)二極管 1N4148 的反向恢復(fù)時間比肖特基二極管還短，非常適合于高頻整流，其主要缺點是整流電流小。若做成橋式整流電路，整流電流可以大于 200mA，在小電流的無線充電中綽綽有余。 所以次級接收電路可以設(shè)計成以下 的 電路： 焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 無線 充電電路 8 L21234V D 1 ~ V D 41 N 4 1 4 8 * 4C47u GB3 . 7 V1 16RA150 I50V 圖 3 次級接收電路 在上面的電路中， L2 為接收線圈，四個硅二極管 1N4148 組成橋式整流電路，電容 C 作為整流電容，電源信號通過整流濾波后成為直流電源通過 RA 為鋰 電池充電， RA 為限流電阻， I 為充電電流。 無線充電電路的電路圖 綜合以上的分析和設(shè)計，無線充電電路可以設(shè)計成如圖 4 電路。 在圖 4 中我們選用的晶體管發(fā)射極耦合多諧振蕩器和模擬達林頓管組成無線充電電路，發(fā)射極耦合多諧振蕩器用兩個小功率三極管組成，按圖 4 中的元器件數(shù)據(jù)，振蕩頻率約為 350kHz。圖 4 中的元器件中僅最后一級三極管 VT4 的耗散功率大些，其他的都是比較簡單并且容易得到的元器件。 12V 的電源由太陽能充電電路提供，電源信號通過射極耦合多諧振蕩電路變成高頻信號再通過 C3 和 R7 組成的耦合電路之后被模 擬達林頓管功放電路放大，L1 和 L2 分別是初級和次級耦合線圈，放大后的信號通過 L1 和 L2 的耦合被無線傳送到次級接收電路，高頻交流信號被整流濾波后變成直流電能給 的鋰電池進行充電。 焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 無線 充電電路 9 L21234V D 1 ~ V D 41 N 4 1 4 8 * 4C47uGB3 . 7 V1 16RA150 I2V T 42 S D 8 8 2V T 3S 8 0 5 0116R 9 A150116R 8 A4 . 7 KL1C40 . 0 1 u+ 1 2 V I1116R 5 A3 . 3 K116R 3 A3 . 3 K116R 1 A47K116R 6 A680116R 4 A680116R 2 A3 . 3 KC14 7 0 u 3 5 V C3 1uV T 2S 8 0 5 0V T 1S 8 0 5 0C2470p50V射極耦合多諧振蕩器 模達林頓管功放1 16R 7 A1MS 8 0 5 0E B C2 S D 8 8 21 2 3B C E 圖 4 無線充電電路 焦作大學機電工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 太陽能充電電路 10 3 太陽能充電電路 太陽能充電的原理 太陽能充電電路由太陽能電池、充電電路、蓄電池或可充電電池三部分組成。 簡單地說，太陽能發(fā)電的原理主要是由太陽能電池板接收太陽光，在太陽能電池板的基板上發(fā)生光電效應(yīng)，從而將光能轉(zhuǎn)換成電能；然后將電能通