PCB的预布局是在评估PCB设计的可行性。一、结构要素图，结构对电路板的约束。 在设计PCB之前，结构要素图（Outline Drawing / Mechanical Drawing） 是定义PCB物理边界和关键约束的核心文件。它通常包含以下对电路板设计的强制性要求： 1、PCB外形尺寸与形状： 明确PCB的长、宽、轮廓形状（是否异形）。 明确PCB在整机或外壳内的定位（如基准边、安装孔位置）。 约束： PCB尺寸必须严格匹配，确保能装入指定空间（如铁壳），无干涉。 我们需要注意板边，圆角，安装过程是否有障碍。 2、安装孔与固定点： 位置、数量、孔径（包含孔径公差）、孔形状（圆孔、槽孔）。 孔的类型（螺丝孔、铆钉孔、卡扣孔、定位销孔）。 孔周围的禁布区（Keepout）要求（如螺丝头部占用空间、垫圈范围、防短路区域）。 约束： 提供PCB的机械固定和定位基准，器件布局需避开禁布区，确保可靠安装。 3、连接器位置与方向： 连接器在PCB上的精确位置（XY坐标）、角度（旋转）。 连接器类型、高度、插拔方向（如向外、向上、向下）。 连接器对应的外壳开孔位置、尺寸及公差。 连接器伸出壳体长度统一，合理美观。 约束： 确保连接器能准确穿过外壳开孔，插拔操作空间充足、顺畅，线缆走线方向合理（避免弯折过度、与结构件摩擦）。影响板边布局。 4、限高区域与器件高度： 明确PCB上方和下方不同区域的最高允许器件高度 （如：PCB正面TOP高度限制，PCB背面BOTTOM高度限制）。 特别关注靠近外壳壁、散热器、内部支架、活动部件（如风扇、按键、转轴）区域的限高。 约束： 所有器件（包括插座、电容、电感、散热片、IC等）在指定区域的实际高度（含引脚/焊点）必须小于 该区域的限高，否则会导致装配干涉、挤压甚至损坏。 5、散热器安装与空间： 散热器的尺寸、形状、安装方式（如螺丝固定、卡扣、粘贴）、固定孔位。 散热器本身的高度及周边预留空间（风道、气流方向）。 散热器与外壳或其他散热部件的接触要求（如导热垫、导热膏区域）。 约束： 散热器位置和高度需精确匹配结构要求，其周边需预留足够空间保证散热效率，不能与其他元件或结构件冲突。 6、扣板与模块干涉： 如果存在子板（扣板）或功能模块（如WiFi模组），需明确其安装位置、方向、固定方式。 约束： 主板上相应区域必须避让子板的连接器、固定件、元件，预留足够空间，确保无物理干涉，子板能顺利安装和拆卸。 7、外壳内壁与内部结构件： 明确PCB与外壳内壁、内部支架、筋条、挡板、加强筋等结构件的最小间距 。 约束： PCB边缘、板面元件（特别是高的、尖锐的元件）必须与这些结构件保持安全距离，防止短路、摩擦、挤压。 8、按键、开关、显示窗等开孔对应元件： 外壳上的按键孔、开关孔、LED/显示屏视窗的位置和尺寸。 约束： PCB上对应的微动开关、拨动开关、LED指示灯、显示屏模块必须精确对齐开孔中心，确保操作有效和视觉可达。 9、组装与维修通道： 考虑螺丝刀、镊子等工具的进出手势空间。 对于需要焊接、调试、更换的元件区域，预留足够的手工操作空间。 约束： 相关元件（如跳线、测试点、易损件）周围不宜放置过高过密的元件，保证可制造性和可维修性。 10、其他特殊要求： 屏蔽罩（EMI Can）的形状、尺寸、位置及接地要求。 涉及振动、冲击环境的额外固定或缓冲要求。 特殊环境（如防水、防尘）对密封圈、灌胶区域的要求。 重量分布要求（特别是有运动部件的设备）。 二、热仿真，热设计对电路板的约束。1、电源需求整理——电源树。 电源专题，需要分析电源需求，每种电源的电压范围，电流需求，动态响应，上电时序；时钟专题，针对每个时钟的输入的电平标准，频率，抖动等参数，时钟时序，并按照各种时钟解决方案进行优化。每个管脚怎么用，怎么接，对接的管脚的电平是否满足要求，都需要分析清楚并文档化。例如电源专题：芯片厂家给出的的是一些针对他自己器件的要求，例如图是Intel对其电源上电时序之间的耦合关系的要求和一些先后顺序的描述。 但是我们怎么实现？另外，我们电路板上面还有其他器件，比如网卡、FPGA等等也是复杂的供电方案、也有一定的上下电时序要求。并且这些器件之间有些电源是相同电压的，为了简化设计，绝大多数情况使用一个电源给所有相同电压的器件进行供电。例如3.3V电源很可能只有一个电源输出，但是要给所有使用了3.3V电压的器件都供电。这样就耦合在一起，并且需要考虑所有用电器件的需求，以及他自身的上电时序要求。 电源需求分析表：列出所有器件的电源需求，包含电压范围、电流需求、动态响应和上电时序等信息。 共性需求合并图：展示不同电压的器件合并后的供电需求。 整板电源方案框图：展示整板的电源架构设计，包括各个电源模块和它们之间的连接关系。 上电时序图：详细说明各个电源模块的上电顺序和时序要求，确保满足所有器件的需求。 2、根据电源输入和输出情况，思考电源“模块”的布局 电源的输出，就是上一小节整理的电源用电器件的各种电源种类的整理合并。然后我们根据器件的位置关系，整理出大致的一个器件布局。 我们首先应该优先考虑主芯片及配套大功率芯片（例如：DDR）的电源管脚分布。 1、各个电源平面减小“耦合”，避免各种电源平面交织在一起。 3、减小“换层”。 3、输入电源不要满板跑 第一、输入电源是外部供电，其引入的干扰不可控； 第三、即使通过空电流环的大小，输入电源与DC/DC之间会仍然会形成跳变的电流环，形成一个感性干扰源。 就是上图中描述的高频电流环要尽可能的小。 首先，我们需要找出不同拓扑的高频电流环路。如图所示，虚线的环路便是di/dt变化比较大的电流高频环路，可以看到BUCK电路，电流高频环路存在于输入电容和两个开关管（或者一个开关管和一个二极管）形成的闭合环路，而BOOST电路作为对偶拓扑，电流高频环路存在于输出电容和两个开关管。而SEPIC电路的电流高频环路存在于两个开关管和两个电容形成的环路中，如图所示。 找到高频电流环路后，我们需要抑制该噪声源引起的近场磁场。最有效的方式就是减少该环路的面积，通常电流大小需要满足功率输出的要求，不能随意减小。 随着先进封装的发展，更多的芯片将输入电容集成到芯片中，可以进一步减小高频环路的面积，以获得更好的EMC特性，如图所示。 芯片集成电容的辐射情况 5、去耦电容尽可能靠近“ 最终我们要求在用电器件的接收端接收到良好质量的电源，我们需要整个电源平面的所有的噪声。对于电源的噪声来源：稳压芯片输出的电压不是恒定的，会有一定的纹波；稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化。稳压电源响应的频率一般在200kHz以内，能做正确的响应，超过了这个频率则在电源的输出短引脚处出现电压跌落；负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗产生压降；外部的干扰。 （1）芯片的集成度越来越大，芯片内部晶体管数量也越来越大；晶体管组成内部的门电路 组合逻辑 延迟线 状态机及其它逻辑。 （3）内部晶体管工作需要内核时钟或是外部时钟同步，但是由于内部延迟及各个晶体管不可能严格同步，造成部分晶体管完成状态转换，另一部分可能处于转换状态，这样一来处于高电平门电路的电源噪声会传到其它门电路的输入部分。 去耦电容（decoupling capacitor）通常被用于电源系统中，目的是提供对电源噪声的短时、高频响应，以维持稳定的电源电压供应给集成电路（IC）或其他用电器件。将去耦电容放置在靠近用电器件的位置有几个关键的理由： 因此，为了最大程度地提高去耦电容的效果，它通常被放置在用电器件附近，以确保对瞬时电流需求的快速响应，并最小化电源系统中的电感和电阻的影响。 高频响应：小封装和小容值的电容通常在高频范围内具有更好的响应特性。由于高频信号的波长短，电容的物理尺寸和电感对其阻抗的影响较小。因此，小型电容更能够提供对高频噪声的有效去耦。 电流传输速度：小封装的电容通常具有较低的等效电感，使其能够更快地传输电流。在高频情况下，电流需要迅速响应用电器件的需求。通过将小电容靠近电源管脚，可以降低电流路径的电感，提高对瞬时电流需求的快速响应能力。 电源噪声的局部处理：小容值的电容主要用于处理局部的、瞬时的高频噪声。通过将这些电容靠近电源管脚，可以在电源引入电路板或芯片的地方提供即时的去耦效果，而不是在较远的位置。这有助于保持用电器件的电源稳定性，减小对整个电路的影响。 安装电容时，要从焊盘拉出一下段引线通过过孔和电源平面连接，接地段也一样。则电容的电流回路是：电源平面→过孔→引出线→焊盘→电容→焊盘→引出线→过孔→低平面。 放置过孔的基本原则就是让这一环路面积最小，减小寄生电感。下图显示几种安装方法。 •第一种方法从焊盘引出很长的线然后连接到过孔，这会引入很大的寄生电感，一定要避免这样做。 •第三种方法在焊盘侧面打孔，进一步减小了环路面积，寄生电感比第一个更小，是比较好的方法。 •最后一种方法在焊盘上直接打孔，寄生电感最小，但是PCB需要做塞孔处理，否则焊接会出现漏锡的情况。
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“ 在电动汽车的复杂体系中，DC/DC转换器虽小，却扮演着举足轻重的角色。它如同电动汽车的“能量枢纽”，默默维系着各系统的稳定运行。你是否好奇，DC/DC究竟如何运作？它对电动汽车性能有哪些关键影响？接下来，就为你开启电动汽车DC/DC知识的全面汇总之旅。” 1、什么是 DC/DC 转换器？ DC/DC 转换器的概要 EV 的所有设备都依靠电来工作。行车用马达等依靠大型/高电压的锂离子电池的电力来工作，其他大量车载设备（ECU、摄像头、车灯等）依靠低电压的铅酸电池的电力来工作。铅酸电池如果不充电就会没电，所以需要从锂离子电池充电。其中将高电压直流电转换为低电压直流电的设备就是 DC/DC 转换器。通过转换为低电压，EV 的各种车载设备就能在适当的电压下工作。 高电压和低电压的区别使用 - 高电压的用途 为了使行车用马达工作，需要高电压。因为马达需要大功率，如果试图让它在低电压下工作则会产生大电流，并导致电路内的损耗增加，转换效率变差。为了提高效率，需要使用高电压（400V 以上）来抑制电流。 - 低电压的用途 低电压用于与行车马达相关的设备以外的设备（车内的各种设备和前灯等）。此外，即使是高电压的设备，其内部的控制电路也在低电压下工作。因此，从高电压转换为低电压的 DC/DC 转换器是必不可少的。 为什么低电压是 12V 早期的汽车以手动方式启动发动机，后来开发出了利用起动马达启动的机构。为了驱动该起动马达，安装了铅酸电池。现在，轿车上使用的是由 6 个铅酸电池单体组合而成的 12V 的电池组（各电池单体约为 2.1V）。但是，卡车上发动机的起动马达采用了大型马达，因此通常使用 24V 的电池组（12V 电池×2 个）。 2、DC/DC 转换器的电路构成 总体构成 - 电压检测（输入侧）：测量来自锂离子电池的输入电压 - 噪声滤波器（输入侧）：使用电容器和线圈去除噪声 - 电压转换电路：通过藉由绝缘型变压器和 FET 等的开关来转换电压 - 噪声滤波器（输出侧）：使用电容器和线圈来去除噪声 - 电压检测（输出侧）：测量输出电压 - 控制电路：控制转换电路等 - DC/DC 转换器：向控制电路供给电源 - 通信电路：与外部的通信电路 图１ DC/DC 转换器的总体构成
近年来，随着社会的发展，PLC可编程序控制器在工业生产中得到了广泛的使用，同时技术人员对其使用要求也在逐年增高，因此对系统正常稳定运行要求也越来越高。PLC产品本身的可靠性可以保证，但在应用中一些不正确的操作会造成一定的影响。今天，小编为大家整理了一些PLC日常应用中的实用技巧，希望能对大家在日常使用PLC有所帮助。 （一）接地问题 PLC系统接地要求比较严格，最好有独立的专用接地系统，还要注意与PLC有关的其他设备也要可靠接地。多个电路接地点连接在一起时，会产生意想不到的电流，导致逻辑错误或损坏电路。产生不同的接地电势的原因，通常是由于接地点在物理区域上被分隔的太远， 当相距很远的设备被通信电缆或传感器连接在一起的时候，电缆线和地之间的电流就会流经整个电路，即使在很短的距离内，大型设备的负载电流也可以在其与地电势之间产生变化，或者通过电磁作用直接产生不可预知的电流。在不正确的接地点的电源之间，电路中有可能产生毁灭性的电流， 以至于破坏设备。PLC系统一般选用一点接地方式。为了提高抗共模干扰能力，对于模拟信号可以采用屏蔽浮地技术，即信号电缆的屏蔽层一点接地，信号回路浮空，与大地绝缘电阻应不小于50MΩ。 （二）抗干扰处理 工业现场的环境比较恶劣，存在着许多高低频干扰。这些干扰一般是通过与现场设备相连的电缆引入PLC的。除了接地措施外，在电缆的设计选择和敷设施工中，应注意采取一些抗干扰措施：（1）模拟量信号属于小信号，极易受到外界干扰的影响，应选用双层屏蔽电缆；（2）高速脉冲信号（如脉冲传感器、计数码盘等）应选用屏蔽电缆，既防止外来的干扰，也防止高速脉冲信号对低电平信号的干扰；（3）PLC之间的通信电缆频率较高， 一般应选用厂家提供的电缆，在要求不高的情况下，可以选用带屏蔽的双绞线电缆；（4）模拟信号线、直流信号线不能与交流信号线在同一线槽内走线；（5）控制柜内引入引出的屏蔽电缆必须接地，应不经过接线端子直接与设备相连；（6）交流信号、直流信号和模拟信号不能共用一根电缆，动力电缆应与信号电缆分开敷设。（7）在现场维护时，解决干扰的方法有：对受干扰的线路采用屏蔽线缆，重新敷设；在程序中加入抗干扰滤波代码。 （三）消除线间电容避免误动作 电缆的各导线间都存在电容，合格的电缆能把此容值限制在一定范围之内。即使是合格的电缆，当电缆长度超过一定长度时，各线间的电容容值也会超过所要求的值，当把此电缆用于PLC输入时，线间电容就有可能引起PLC的误动作，会出现许多无法理解的现象。这些现象主要表现为：明接线正确，但PLC却没有输入；PLC应该有的输入没有，而不应该有的却有，即PLC输入互相干扰。为解决这一问题，应当做到：（1）使用电缆芯绞合在一起的电缆；（2）尽量缩短使用电缆的长度；（3）把互相干扰的输入分开使用电缆；（4）使用屏蔽电缆。 （四）输出模块的选用 输出模块分为晶体管、双向可控硅、接点型： （1）晶体管型的开关速度最快（一般0.2ms），但负载能力最小，约0.2~0.3A、24VDC，适用于快速开关、 信号联系的设备，一般与变频、直流装置等信号连接，应注意晶体管漏电流对负载的影响。（2）可控硅型优点是无触点、具有交流负载特性，负载能力不大。（3）继电器输出具有交直流负载特点，负载能力大。常规控制中一般首先选用继电器触点型输出，缺点是开关速度慢，一般在10ms左右，不适于高频开关应用。 （五）变频器过电压与过电流处理 （1）减小给定使电机减速运行时，电机进入再生发电制动状态，电机回馈给变频器的能量亦较高，这些能量贮存在滤波电容器中，使电容上的电压升高，并很快达到直流过电压保护的整定值而使变频器跳闸。 处理方法为：采取在变频器外部增设制动电阻的措施，用该电阻将电机回馈到直流侧的再生电能消耗掉。（2）变频器带多个小电机，当其中一个小电机发生过流故障时，变频器就会过流故障报警，导致变频器掉闸，从而导致其它正常的小电机也停止工作。处理方法为：在变频器输出侧加装1：1的隔离变压器，当其中一台或几小电机发生过流故障，故障电流直流冲击变压器，而不是冲击变频器，从而预防了变频器的掉闸。经实验后，工作良好，再没发生以前的正常电机也停机的故障。 （六）标记输入与输出方便检修 PLC控制着一个复杂系统，所能看到的是上下两排错开的输入输出继电器接线端子、对应的指示灯及PLC编号，就像一块有数十只脚的集成电路。任何一个人如果不看原理图来检修故障设备，会束手无策，查找故障的速度会特别慢。鉴于这种情况，我们根据电气原理图绘制一张表格，贴在设备的控制台或控制柜上，标明每个PLC输入输出端子编号与之相对应的电器符号，中文名称，即类似集成电路各管脚的功能说明。有了这张输入输出表格，对于了解操作过程或熟悉本设备梯形图的电工就可以展开检修了。但对于那些对操作过程不熟悉，不会看梯形图的电工来说，就需要再绘制一张表格：PLC输入输出逻辑功能表。该表实际说明了大部分操作过程中输入回路（触发元件、关联元件）和输出回路（执行元件）的逻辑对应关系。实践证明如果你能熟练利用输入输出对应表及输入输出逻辑功能表，检修电气故障，不带图纸，也能轻松自如。 （七）通过程序逻辑推断故障 现在工业上经常使用的PLC种类繁多，对于低端的PLC而言，梯形图指令大同小异，对于中高端机，如S7-300，许多程序是用语言表编的。实用的梯形图必须有中文符号注解，否则阅读很困难，看梯形图前如能大概了解设备工艺或操作过程，看起来比较容易。若进行电气故障分析，一般是应用反查法或称反推法，即根据输入输出对应表，从故障点找到对应PLC的输出继电器，开始反查满足其动作的逻辑关系。经验表明，查到一处问题，故障基本可以排除，因为设备同时发生两起及两起以上的故障点是不多的。 （八）PLC自身故障判断 一般来说，PLC是极其可靠的设备，出故障率很低，PLC、CPU等硬件损坏或软件运行出错的概率几乎为零，PLC输入点如不是强电入侵所致，几乎也不会损坏，PLC输出继电器的常开点，若不是外围负载短路或设计不合理，负载电流超出额定范围，触点的寿命也很长。因此，我们查找电气故障点，重点要放在PLC的外围电气元件上，不要总是怀疑PLC硬件或程序有问题，这对快速维修好故障设备、快速恢复生产是十分重要的，因此笔者所谈的PLC控制回路的电气故障检修，重点不在PLC本身，而是PLC所控制回路中的外围电气元件。 （九）充分合理利用软、硬件资源 （1）不参与控制循环或在循环前已经投入的指令可不接入PLC；（2）多重指令控制一个任务时，可先在PLC外部将它们并联后再接入一个输入点；（3）尽量利用PLC内部功能软元件，充分调用中间状态，使程序具有完整连贯性，易于开发。同时也减少硬件投入，降低了成本；（4）条件允许的情况下最好独立每一路输出，便于控制和检查，也保护其它输出回路；当一个输出点出现故障时只会导致相应输出回路失控；（5）输出若为正/反向控制的负载，不仅要从PLC内部程序上联锁，并且要在PLC外部采取措施，防止负载在两方向动作；（6）PLC紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。 （十）其他注意事项 （1）不要将交流电源线接到输入端子上， 以免烧坏PLC；（2）接地端子应独立接地，不与其它设备接地端串联，接地线截面积不小于2mm²；（3）辅助电源功率较小，只能带动小功率的设备（光电传感器等）；（4）一些PLC有一定数量的占有点数（即空地址接线端子），不要将线接上；（5）当PLC输出电路中没有保护时，应在外部电路中串联使用熔断器等保护装置，防止负载短路造成损坏。
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