一个电气工程师进入电子行业的总结-硬件篇

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 楼主 | 2019-2-11 22:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
一个电气工程师进入电子行业的总结-硬件篇
专业基础课程:
1、模拟电子线路
论述,二极管,三极管电路,运放,两运放仪表运放,三运放仪表运放,恒流源,线性电源,buck,boost,滤波器。
2、数字电路
论述,74系列,cd系列接口器件。
3、电路分析基础
论述,尤其一阶,二阶电路,分析ems,emi。例如感性负载的分析,pmos驱动是产生负高压,nmos驱动是产生正高压。npn驱动继电器,继电器驱动电机,npn三极管为什么会坏。
这都需要一阶,二阶电路的分析方法
4、电磁兼容
论述,我在进入电子行业,面临大量的ems,esd问题,emi问题不复杂。笔者第一次进入电子行业,一听说,emc,吓得半死,什么都不懂,其实很重要。曾经由于自己的工装受干扰,气缸动作,压着手指。惨。
电磁兼容分为EMS,ESD,EMI
1、EMS就是不被别人弄死。如不考虑,在生产测试过程中,带点插拔,容易弄坏几个,短暂接错线就烧毁。也是很难把不良率控制在1%以下。有时甚至达到5%的不良率。对于量产来说,出货风险100%。必亏。
2、ESD就是静电,就笔者的经验,ESD设计不考虑的话,不良率很难下降到1%以下,即使元器件是原装进口。尤其是中小企业,生产过程不可能很正规。
3、emi就是不把别人弄死。就个人经验这个比较难的原因就是没法摸底。设备很贵。上述两个都可自测。而且很多东西看起来像天书。
现在分别论述:
一、ems(抗扰度)
总结起来就是高能正负高压浪涌,低能量群脉冲,反接,直流系统的接口对VCC短路,对GND短路。
1、其中群脉冲,需购买设备,较佳。其他可自己搭建,比emc标准电压更高,脉冲更宽。
群脉冲说起来很神秘,对于刚入行的我,主要是我把元器件理想化了,例如电源输入端的弄个大的电解电容就认为高枕无忧。其实电容都有其工作的频段。超过其频段,其性质都要发生变化。
要解决群脉冲的问题,应注重共模电感,磁珠(分布电容小的一圈电感),小值高频电容(ESL小的)的使用。在设计电路要有不同频段的电容和不同频段的电感接力滤波的概念。
建立大地才是真正的地的概念。高频干扰脉冲,跑不到大地,就只能跑到你的控制板。所以y电容有一定作用。
共模干扰,会导致单片机复位和误动作。在工控方面还是要重视的。
2、高能正脉冲,通常来自内部npn,nmos驱动感性负载,或外部底边驱动的感性负载造成。
此脉冲能量等级高,容易打坏,劣质开关电源,电源侧电容,7805,单片机等。
对于跟我一样的外行,在设计电路时,VCC不是你想象中的12V或24V。不是理想化的。是由你的TVS管或压敏电阻决定。你的TVS管设计是22V那么你就要考虑22V时的情况。
输入电容的耐压,7805的耐压或lm2596的耐压,和vcc直接相连的继电器三极管,nmos都需要考虑。
3、高能负脉冲,通常来自内部pnp,pmos驱动的感性负载,或外部高边驱动的感性负载。或模拟反接。
这个单片机侧易处理,但是接口电路要考虑。例如npn+续流二极管,反压抗不住。途径,地->PN结(be,6V击穿)->PN结(bc)->续流二极管->VCC,直接烧毁三极管尤其是sot-23的三极管。
续流二极管需串联一个小值电阻。或其他续流方法。nmos有寄生二极管,反接负载会通电。
4、根据笔者经验,7805系统抗扰度,不如buck,lm2576。主要原因buck电源,高压侧电流不连续,低压侧电流连续。高压侧的开关管有一定的隔离作用。但是buck电源需处理emi问题。
不过我还是推荐成本不敏感的工控板用buck+线性电源,或buck+buck+线性电源(有运放的系统)。
5、接口电路,对VCC短路。
nmos,这种对vcc短路,一下就烧,推荐数字量输出使用bsp75,bsp78,ncv8402.
6、接口电路,对gnd短路。
pmos,这种对gnd短路,一下就烧,推荐数字量输出使用ncv8450.驱动电磁阀,接触器用途无压力。
二、esd(静电)
各个接口电路都要考虑。把各个接口当作输入,用双二极管,或稳压管,加RC电路搞定。这一项对无键盘,液晶系统容易,但是带键盘液晶的,无经验。
三、emi(电磁发射)
1、笔者曾有三款产品,其中主要分析频谱,都是单片机的晶振谐波,电源是7805,超标的都是高频部分。实际上高频超标的系统,群脉冲也不好最多c类(车规iso7637)。
这一项,和群脉冲有类似的地方,主要是小值电容,磁珠,共模电感(我这三款产品没用),要有分段接力滤波的概念。
2、在电路设计时去耦电容设计两个焊盘+加一个串联焊盘,这样emi不过,可以加元件,不改pcb。
3、buck电源,前面预留一级LC滤波,开关管预留并联rc的焊盘,续流二极管预留rc并连焊盘。基本能搞定。不需要共模电感。LM2576.
4、养成单片机io都要串电阻的习惯,加小值电容的习惯。其中电阻靠近单片机。单片机是大的辐射源。例如spi总线都要串电阻。能用就行。
5、如果做工控板,可以考虑4层板,电子行业的成本概念是基于量产的,工控板,量小,要考虑稳定性。
目前淘宝100x100的4层板打样200元,10片,1片20元,企业做自用设备,成本还是很低完全不用省。
通常小企业的老板对几百元一般还是过得了关的,就说没量一块板要20元,没量就是贵。跟模具开模费比九牛一毛
四层板,多一个电源层,地层,布线非常舒服。比二层板好布很多。两层板布电源线非常不好布,都想把外部集成电路挤在一起。
6、降低emi的其他措施:
一、根据电磁场就是由交变电流产生的原理。
(1)di/dt,dv/dt,dr/dt
其中降低di,dv,就是降低用电量
例如7805,5V的1ma的变化,最终导致VCC的1ma的变化。对于buck来说,用电量越低,充电越少。
对于单片机来说,内部能不用的模块就不用,关闭之。adc采集速度越慢越好,定时器不用就关闭,能休眠就休眠。
对于接口电路,三极管能用1m就饱和,就不用2ma。能用mos管就用mos管,mos管驱动电流相比三极管更低。
对于dr来说,就是二极管和开关元件。如不需要很高的开关速度,就并联rc续流回路。
二、没有器件是理想的,但是有接近理想的器件。
1、能用贴片用贴片
贴片电容,贴片电感,贴片电阻,更接近理想器件。
2、充分学习利用新技术器件。
(1)去耦电容,可以使用三端电容。电解电容,可以考虑高分子固体电容器,高分子聚合物电容。都比铝电解电容优秀。就是耐压低了点,要保护。
(2)电感,有一体化电感。
3、培养分段滤波的概念。
三、我们的大地才是我们的零点位,这些高频的东西有往大地跑的趋势,因为电的特性就是往阻力小的地方跑。
所以接大地的y电容有意想不到的效果。
 楼主 | 2019-2-11 23:04 | 显示全部楼层
数字输入电路:
此电路来自三菱PLC的数字输入电路,本人使用,发现故障率低。
可以接NPN输出的三线接近开关,和两线接近开关。
R5原电路使用2512封装,R4使用1206封装。
R4,R5的阻值标的是12V系统,推荐使用1206封装。24V系统R5要加大,使用更大的封装。

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评论

chenyong123 2019-4-12 08:35 回复TA
如果按照功率和耐压来计算的话,0603都足够了,考虑到浪涌的话,这种方法确实会好很多,我们使用的24V开关电源都是比较好的,所以才这样做的吧。 
叶春勇 2019-4-3 21:32 回复TA
@chenyong123 : 1、贴片电阻也有耐压的参数。0805国巨的有100多v。0603只有几十伏 2、R4的左右有一定的分流左右,提高点亮光耦的门槛。 3、R4在外部浪涌的时候,提高光耦存活率。r4,r5构成分压,浪涌电压被削弱。led也是比较脆弱的。 这是我对三菱plc逆向工程的一点理解,我认为这个电阻不能去掉。是比较好的设计。当然这只是我的一点粗浅的看法,希望你指正 
chenyong123 2019-2-21 17:30 回复TA
你好,这个线路我们也常使用,但是R4不要,然后r5按照理论计算,12*12/3300 = 0.043w,所以0603就够了,为什么还要使用1206. 
 楼主 | 2019-2-11 23:18 | 显示全部楼层
数字输出电路:
此电路来自PLC和本人汽车行业的经验。
光耦隔离,Y0耐短路,加续流二极管。
我一般在设计电路时,传感器选用npn输出的,传感器的gnd,接到开关电源的负极。
而数字输出,使用高边输出,这样负载的低也是接到开关电源的地。
注意使用此电路,单片机的地,光耦外部的地不相连。光耦外部的vcc和com还要接线

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评论

lihui567 2019-2-28 11:43 回复TA
PLC里面的电路都这么可靠稳定? 
 楼主 | 2019-2-11 23:20 | 显示全部楼层
待续,电源电路
| 2019-2-12 08:16 | 显示全部楼层
模电数电弄明白就已经很不容易了
| 2019-2-13 13:39 | 显示全部楼层
期待楼主继续
| 2019-2-13 14:01 | 显示全部楼层
我认真看了看  写的很好,请继续  谢谢
| 2019-2-13 15:21 | 显示全部楼层
期待下一篇
| 2019-2-14 11:29 | 显示全部楼层
很好,楼主继续
| 2019-2-14 14:08 | 显示全部楼层
不错,学习了。
 楼主 | 2019-2-14 18:57 | 显示全部楼层
在工控领域本人使用78L05-sop8封装,在汽车电子通常选择汽车级ncv78L05(onsemi)
优点:
1、线性电源,适用于有尤其是运放的系统,通常需要用adc。
论述:高精度电源的唯一选项,笔者设计工控电路,通常直接使用220-12,220-24的成品电源。
这里之讨论开关电源通常是buck。尤其是lm2576,波纹较大。
2、7805设计成熟,有热保护,限流电路。电路设计较傻瓜。
论述:7805能耐一定时间的短路。
3、耐压较高,sop-8封装通常是30V,to-252封装通常是36V,用于12V工控系统,余量较大。
论述:老器件,采用ttl工艺,通常耐压较高。电源作为重要的接口电路,需一定的抗扰度。
缺点:
1、效率低
论述:通常用于12V,如用24V发热量很大。
针对此缺点应采取如下策略:
(1)如24V系统,可先用一级buck。但是电源系统设计复杂,但是有运放的系统,例如lm358,lm358,输入电压不能到vcc轨,
需要一定的高电压可避免此缺陷。
(2)降低5V侧的功耗。在电路设计时,尽量将5V大电流器件移到高压侧。
例如蜂鸣器,电压较宽,可以移到12V或24V。
继电器,电流较大,开关时会干扰5V,adc。所以移走。不建议使用5V继电器。应用三极管驱动之接高压。
LED,例如工作指示,报警等。尤其电源指示,通常时常亮,应移走。
使用隔离电源时,避免使用5V转5V的,应使用12V或24V转5V。
在驱动外部电路时,优先考虑mos管,mos管(电压驱动)驱动电流低。而三极管(电流驱动)驱动电流大。
在设计光耦隔离时,可适当选取传输比高的光耦器件,对于慢速数字电路,可以提高光耦三极管的上拉电阻。
对于单片机,可以使用低功耗的。
总而言之,将线性电源提供的电流当作宝贵资源,降低5V系统的负载。从而使7805发热极大的降低。
7805的热耗散,通常为(VIN-5)*电流。例如24V系统,电流100mA,温升=热耗散*热阻=(24-5)*0.1*50=95摄氏度。
可见24V系统使用7805,电流还要减少。
(3)7805作为一个负反馈系统,具有负反馈所有特性。
1、通频带高。主要表现为抗扰度下降。
2、输入电阻变大。策略,7805输入侧滤波方式更适合电容滤波。
3、输出电阻变小。策略,7805输出侧适合电感滤波。
7805的其他使用注意事项。
1、7805,输入电容应大于输出电容。7805datasheet,通常是输入1uf,输出330nf。
2、根据笔者多次emi测试经验(车规),7805容易高频侧辐射超标。所以在设计7805电源电路时,应预留两小电容焊盘到7805输入输出两侧。
焊盘应使用小封装,例如0603的电容。
主要时7805的负反馈特性,通带宽,基本就是全通。然后根据emi频谱,其他元器件还需要用磁珠隔离,通常时单片机。
3、根据7805的耐压,压敏器件选择10d220k,tvs选择smcj22ca。稍高也可。
4、根据7805的特性,可在7805输入侧串联一个封装较大的功率电阻,例如100欧姆,1210封装。通常14ma,只有1.4V的压降。
同时也可以限制7805输入电容的充电电流。
5、7805前面加电感滤波应选择滤高频。buck电源则相反。

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 楼主 | 2019-2-14 19:01 | 显示全部楼层
上述电路图中,使用压敏电阻,直接接在外端。
如使用tvs,应该在电阻后面,提高浪涌存活率。
压敏电阻吸收能量较高,tvs反应快,吸收能量不如压敏电阻。所以tvs接在电阻后面。
使用压敏电阻,主要车规7637有个抛负载,压敏电阻无压力。tvs容易炸毁。
buck电源,待续
| 2019-2-16 09:51 | 显示全部楼层
感谢分享
| 2019-2-16 15:57 | 显示全部楼层
感谢分享
| 2019-2-16 20:23 | 显示全部楼层
LZ不错
| 2019-2-17 19:17 | 显示全部楼层
说的不错,希望楼主坚持下去。谢谢分享!!
| 2019-2-20 08:06 | 显示全部楼层
叶春勇 发表于 2019-2-14 19:01
上述电路图中,使用压敏电阻,直接接在外端。
如使用tvs,应该在电阻后面,提高浪涌存活率。
压敏电阻吸收 ...

电气 怎么喜欢上了电子  哎呀
| 2019-2-20 11:43 | 显示全部楼层
mark一下,多谢楼主分享
| 2019-2-22 08:21 | 显示全部楼层
点赞
| 2019-2-26 14:56 | 显示全部楼层
楼主经验老道哦
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