详细描述了一个家用空气净化器项目，涉及空气检测、气味传感器的信号处理、MOS管作为开关的应用，以及电路原理图设计，包括元器件选择、模拟信号处理和优化，最终目标是实现自动化的开关控制和模拟到数字信号的转换 目录 1、项目背景介绍 2、项目资源评估 3、如何设计原理图（含元器件原理分析） 4、元器件选型 5、原理图绘制 1、项目背景介绍 项目用在家用或办公领域,当空气有一定的污染时，打开净化系统开始进行空气净化和杀菌处理,经过一定时间处理后，当空气中空气经过净化且重回健康后，关闭净化系统。 2、项目资源评估 需要的条件： 1、气味传感器，对空气检测，并转换成电压信号（大部分的传感器是把某一种形态的物理量转换成电信号），电压信号比较小，需要对其进行放大 2、对电压信号进行放大处理，用放大后的电压信号通过比较器来控制机器的开和关（可以改变幅值和向量的变化） 3、需要运算放大器，比较器，开关 4、电源15VDC 3A（适配器，直接买） 5、需要有15V 2A直流有刷马达（通过MOS管（作为开关使用）来控制马达） 3、如何设计原理图（含元器件原理分析） 元器件分析： MOS管：N型MOS（N沟道），P型MOS管（P沟道） NMOS管由于自身的特性，开关的速度特别快，耐压高，通过的电流能力比较强；PMOS管由于工艺的影响，开关的速度没有NMOS管快，损耗量比NMOS管大，耐压相对较低，通过的电流相比于NMOS管比较弱 有一个二极管，封装在MOS管的内部，当NMOS管正向流通的时候，二极管是不导通的，当DS不导通的时候，电流可以往回流，对能量进行回收 NMOS管的导通条件：Ug-Us>10V 施加的是电压源 MOS管的状态：关闭和截止（Ug-Us<4.5V ）,放大状态（Ug-Us约等于4.5V）即4.5V即为阈值电压 （等效成n型三极管的基极的阈值电流（0.5mA）超过0.5mA，三极管就工作在饱和状态，低于0.5mA的时候就工作在放大状态，再低于一定程度的时候，三极管就处于截止状态） 具体的MOS管详情，请参考MOS管（又叫场效应管这一篇文章） 4、元器件选型 MOS管作为开关用的原理分析 这样情况，在开关导通到15V的时候，会通过电阻形成一个压降，同时会对MOS管进行充电，在充电到阈值电压的时候，MOS管将会导通，在导通之后，MOS管的源极电压将会变成15V，这样就会导致源极的电压>栅极的电压，MOS就会关断，源极电压为0，就会重复上一个动作。这里可以参考N型三极管理解 正确电路 在 15V导通的时候，由于源极接的是地，无论怎么样，栅极和源极之间的压差都会大于平台电压，所以MOS管会一直导通；在GND导通的时候，MOS管会通过电阻对内部的电容进行放电，由于MOS是不导通的，内阻无限大，所以漏极就近似的等于+15V，所以马达上面没有压差，就没有电流，所以，马达是不转的。这样就通过控制MOS管的开和关，控制了马达的转和不转！ MOS管内部分为三种状态 结论：NMOS管作为开关使用，S（源极）必须接地 在本次项目中，我们要实现开关自动化打开和关闭，不妨想一想应该怎么解决 1、当左边输入高电平的时候，Q3，Q4是导通的，R11左边的电压大约是0.3V，近似的等于0V，这种时候，Q2也是导通的，并且P管射极的电压大约的等于15V（不考虑三极管的内阻），这样就会对MOS管进行充电，马达转动。 2、当左边输入为低的时候，Q3是不导通的，R9下方的电压就会非常的大，Q2也是不导通的，R10左右两边都没有电压，MOS管就通过R10进行放电，马达停止转动。 同时实现导通和关断的速度都是特别快的！ 分析不足：Q2和Q1会不会存在同时导通的情况 输入的信号为模拟量，会有中间的状态，即假设输入的电压为1.5V的时候，Q3,Q2导通，Q4也会导通（没有完全导通）工作在放大状态，Q4的C极电压可能是1V，也可能是>1V ，这时候，Q1shi导通，即Q2和Q1是短路的，就会出现串红现象，热损坏很大，容易损坏器件。 优化后的电路图 1、左边输入为高信号的时候，Q5是导通的，电流能够达到200mA，同时会对MOS管进行充电，当充电到14.3V的时候，Q5截止，当MOS管的电压>14.3V的时候，Q5又会导通；Q6是不导通的，Q6 B级的电压是15V，而E极的电压无论怎么样，都是达不到15V的，这时候的Q6就处在反向截止的状态。 2、当左边输入为低的时候，Q6的E极是14.3V，相对于B极，是有压差的，所以说Ib是有的，这样Q6就是导通状态，MOS管就会通过Q6进行放电；Q3，由于B极上面没有正向压差，所以是反向截止的，是一直不导通的。 我们把这样的电路称之为推挽电路 ：把N管和P管接在一起，在任何时候，都只有一个管子导通，也能够实现快速开通和快速关断 MOS管和三极管的区别： 2、运算放大器 最基本的放大电路 1、当Ib通过的电流Ib>1mA的时候，三极管工作在饱和状态 2、当Ib通过的电流0.1mA
在纷繁复杂的电子世界中，电子电路时刻面临着各种不可预料的挑战。无论是人体静电的干扰、雷击浪涌的冲击，还是误操作等人为因素，都可能对电子设备造成致命的损害。
一、无桥Boost-PFC原理概述 无桥 Boost-PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）的工作原理是通过特定的电路结构和控制策略，对输入电流进行校正，使其与输入电压同相位，从而提高电路的功率因数，并将输入电压升压到所需的输出电压。以下是其详细的工作原理： 1.电路结构基础： 无桥 Boost-PFC 电路可以看成由两组对称的传统 Boost 电路组成。以基本的无桥 Boost-PFC 电路为例，它主要由两个电感（L1 和 L2）、两个功率开关管（Q1 和 Q2）以及两个二极管（D1 和 D2）组成。这两组电路分别对应交流输入电压的正半周和负半周的工作状态。 2.电路工作模态分析 正半周工作过程： 当交流输入电压处于正半周时，电感 L1 和功率开关管 S1 所在的支路处于工作状态。此时，功率开关管S1 按照一定的占空比进行高频的导通和关断操作。 在 S1 导通期间，交流输入电源通过电感 L1 和导通的 S1 、S2的体二极管形成回路，电感 L1 储存能量，电流逐渐增加。此时二极管处于反向截止状态。 在 S1 关断期间，电感 L1 中储存的能量通过二极管 D1 向负载释放，同时与输入电源一起向负载供电，输出电压升高，实现了升压功能。并且由于在正半周内对电流的控制，使得输入电流能够跟随输入电压的变化，从而实现功率因数校正。 负半周工作过程1： 当交流输入电压处于负半周时，情况与正半周相反。此时电感 L2 和功率开关管 S2 所在的支路开始工作，S2 进行高频的导通和关断操作，而 S1 处于续流状态。 在 S2 导通期间，交流输入电源通过电感 L2 和导通的 S2、S1的体二极管形成回路，电感 L2 储存能量。二极管处于反向截止状态。 在 S2 关断期间，电感 L2 中储存的能量通过二极管 D2 向负载释放，与输入电源一起为负载供电，输出电压继续维持在较高水平，同时也实现了负半周的功率因数校正。 实现功率因数校正的原理： 通过对功率开关管的高频控制，使得电感在不同的时间段内进行储能和释能，从而控制输入电流的波形和相位。在理想情况下，经过校正后的输入电流波形应与输入电压波形同相位，并且接近正弦波，这样就可以大大提高电路的功率因数，减少无功功率，提高电能的利用效率。 总之，无桥 Boost-PFC 利用两组 Boost 电路在交流输入的正负半周分别工作，省掉了传统 Boost-PFC 电路中的整流桥，降低了二极管的导通损耗，提高了电路的效率，但同时也增加了电路的控制复杂性。 二、无桥Boost-PFC 双闭环控制MATLAB仿真 1.仿真模型 2.模块参数 模块 参数 输入电压 380*sqrt(2)V 50Hz 限流电阻 1E-3Ω 电感 0.2E-3H 二极管体电容 10e-12F 输出电容 1E-3F 开关频率 100KHz 输出电压 666V 平均电流采样方法：三角载波峰值采样。 在这次试验中，我将会在不同功率下查看输出电压和输入电流的情况，看输出电压达到稳态的情况，看输入电流的谐波以及相位。负载电阻以及输入输出电流的计算结果如下： 功率 输出电压 负载电阻 输出电流 输入电流 7000W 666V 63.4Ω 10.5A 26.1A 6000W 666V 74Ω 9A 22.3A 5000W 666V 88.7Ω 7.5A 18.6A 4000W 666V 110.8Ω 6A 14.8A 3000W 666V 147.8Ω 4.5A 11.2A 2000W 666V 221.8Ω 3A 7.4A 1000W 666V 443.6Ω 1.5A 3.7A 3.7000W 3.1.输出电压 输出电压较快达到稳态。 3.2.输入电流 输入电流谐波为5.51%。 4.6000W 4.1.输出电压 4.1.输入电流 5.5000W 5.1.输出电压 5.1.输入电流 6.4000W 6.1.输出电压 6.1.输入电流 7.3000W 7.1.输出电压 7.1.输入电流 8.2000W 8.1.输出电压 8.1.输入电流 9.1000W 9.1.输出电压 9.1.输入电流 10.总结 功率 THD 7000W 5.51% 6000W 6.31% 5000W 7.42% 4000W 8.93% 3000W 12.27% 2000W 18.20% 1000W 34.22% 2000W的情况下，在一个周期内，DCM出现的情况占比为10%，但是电流下降过程中都在零点几乎无停留； 0-5.4°、167.4°-185.4°、357.4°-360°的时候出现DCM。 1000W的情况下，在一个周期内，DCM出现的情况占比为38%，电流下降过程中电流值降为0并有较长时间处于0的情况占比29%； 0-32.4°、144°-212.4°、324°-360°的时候出现DCM情况。 0-27°、154.8°-207.4°、334.8°-360°的时候出现DCM较严重的情况。 根据上述的实验可以得出，当我在电感不改变 ，MOSFET开关频率不改变的情况下，逐渐增加负载电阻的大小，导致输出电流降低、输出功率降低、负载变轻，进而导致了输出电压达到稳态所需的时间变长，输入电流的谐波增大，输入电流更发散，在2000W和1000W的时候输入电流甚至出现了严重的DCM模式，在我的模型中我电流平均值的取值方法是取的电流上升过程中或者下降过程中中点的位置作为平均电流，这样的取值方法在CCM下是有效的，在DCM模式下是不准确的，因此这个模型在低功率工作情况下仍有问题。第二个问题就是内环电流环和外环电压换的PI参数不是最优的，电流波形放大看较明显的波动。 11.查看THD的方法 1.我们要看哪一个电路电流的THD，那么就在此处接一个电流表，然后再把电流接到示波器上。 2.点开示波器左上角的设置按钮，在Loggong界面设置如下，名字随便取。 3.点开powergui的Tools界面，再点击FFT分析。 4.选中我们要查看电流的示波器，然后设置开始时间、周期、基波频率、最大频率等，即可查看电流THD。
电子电路中常用的器件包括：电阻器(含电位器)、电容器、电感器、变压器、二极管、三极管、光电器件、电声器件、显示器件、晶闸管(可控硅)、场效应晶体管、IGBT、MOSFET、继电器与干簧管、开关、保险丝、晶振、连接器、各种传感器等。 下面一起来看看它们的电路符号+实物图+命名规则： 1.电阻器(含电位器) 举例： RJ76表示精密金属膜电阻器 R——电阻器（第一部分） J——金属膜（第二部分） 7——精密（第三部分） 6——序号（第四部分） 2.电容器 国外电容器命名规则不一，国外部分知名厂家命名规则如下： (1)日本村田(muRata) (2)日本TDK (3)日本京瓷(Kyocera) (4)日本罗姆(ROHM) (5)日本松下旗下三洋电机(Panasonic) (6)韩国三星(SAMSUNG) (7)美国基美(KEMET) (8)英国Syfer (9)中国台湾国巨(YAGEO) (10)中国台湾华新科技(WALSIN) 3.电感器与变压器 4.二极管 5.晶体管三极管6.场效应晶体管 7.晶闸管(可控硅)8.晶振 9.连接器 10.各种传感器 11.光电器件12.电声器件13.显示器件14.继电器与干簧管15.开关16.保险丝
摘要： 本文将基于电子封装技术简单分析影响电子器件热可靠性的主要因素，并围绕接触式回流焊接炉深入研究保障电子器件热可靠性的设备，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。 电子封装技术属于加工电子元器件为电子产品的重要环节，直接影响电子产品的使用寿命和可靠性，电子器件热可靠性也会直接受到影响。为尽可能提升电子器件热可靠性，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。 1 影响电子器件热可靠性的主要因素 1.1 技术概述 电子器件热可靠性向来属于业界研究热点，散热性能、封装性能均有可能对其热可靠性造成影响。随着经济与科技的快速发展，人们对高可靠和高质量产品的需求不断提升，环境对电子器件带来的影响也受到高度重视，而结合相关理论研究和实践探索能够了解到，环境因素在电子器件故障中所占比率较高。所谓电子封装技术，指的是基于电路图将各电子器件和元件在基板上连接，以此开展安装与测试，即可完成电子产品生产。电子封装技术涉及电子元器件的组装、互连等技术，可实现印刷电路板和微小芯片的电气互连，且能够保证性能不会受到温湿度变化影响，易测试、标准化、热管理性能也属于封装要求。在电子封装技术支持下，外部引脚与芯片接点的电气互连能够顺利实现，散热、密封、支撑、隔离、保护芯片作用也能够充分发挥。随着电子封装技术的快速发展，小型化的电子产品发展趋势日渐显著，但受到越来越复杂、密集的封装器件影响，电子封装技术在应用中很容易出现封装器件失效等问题，功率密度不断提升的器件也使得散热问题愈发严重。对于电子器件来说，散热性能带来的可靠性影响较为深远，散热不佳很容易导致封装器件失效，因此可通过散热性能判断电子器件封装质量[1]。 1.2 影响因素 绝缘栅双极型晶体管具备低导通压降、高输入阻抗等优势，在变频器、逆变器、开关电源、电机调速等领域均有着广泛应用。作为大功率半导体器件，绝缘栅双极型晶体管的发热较多，且需要存在 125℃内的结温最高温度，因此过热保护需优选散热装置。围绕绝缘栅双极型晶体管的封装进行研究可以发现，基板结构、封装材料、散热、键合参数等均属于研究热点，散热属于限制绝缘栅双极型晶体管应用的主要因素；发光二极管属于转化电能为光能的电子器件，主要由模塑料、透镜、硅胶、荧光粉层、芯片、热沉、引线框架等组成，依托电子封装技术，即可完成发光二极管产品的组合。基于回流焊接工艺，发光二极管的基板上能够焊接芯片。在路灯、车灯、室内照明、舞台灯光等领域，发光二极管的应用极为广泛，这源于其具备的寿命长、体积小、耗电量少、可控性强、坚固耐用等优势。为保护芯片并保证可见光输出及电信号输入的顺利实现，发光二极管封装向来受到重视，单个发光二极管需结合功率和大小优选封装方式，普通封装流程如图 1 所示，为提高封装性能，新材料和新工艺的科学应用必须得到重视，具体实践需要综合考虑结构、电、热、光等因素带来的影响[2]。 2 保障电子器件热可靠性的设备研究 2.1 回流焊接影响因素 回流焊接属于电子封装技术应用中的重要工序，电子器件热可靠性直接受到回流焊接质量影响。由于回流焊接设备性能直接影响电子器件回流焊接质量，应关注国产回流焊接设备存在的精度和性能方面欠缺，以此开发新型设备，即可为电子器件热可靠性保障提供支持。所谓回流焊接，指的是熔融、回流焊盘上涂覆的焊料，冷却后可实现 PCB 焊盘与电子器件焊端的电气互连。焊料的冷却速率属于重要的回流焊接参数，可能出现的焊接缺陷能够通过该参数描述，焊接后的结构和组织可受到冷却速率增大带来的积极影响，实现合金焊接后的机械性能提升。焊接过程中冷却速率的增加能够实现焊接可靠性提升和缺陷产生几率降低，但这需要以不伤害受焊元器件为前提，但如果存在过快的冷却速率。应力集中下的电子元器件会导致使用过程中电子产品焊点过早失效，可见焊料的冷却速率直接影响电子器件热可靠性；焊接缺陷会在回流焊接实践中出现，如冷焊、锡珠、偏移、“立碑”等，电子器件热可靠性很容易受到这类缺陷影响。以冷焊为例，该缺陷指的是冷却操作在焊膏加热未完全熔化时进行，焊点受此影响会出现表面粗糙问题，机械强度不高的焊点会因此形成。 回流焊接试验向来受到业界重视，如氮气下的回流焊接，结合相关试验可以了解到，回流焊接在空气下进行时会得到内部气孔较多的焊接层，氮气下这类内部气孔数量明显较少，由于气孔部位很容易成为裂纹起始部位，因此氮气下的回流焊接更具优势。基于拉伸测试仪开展的焊接层强度测量可以发现，氮气、空气下焊接层的拉伸结合力分别为 22.69N、15.56N，这能够更直观说明氮气下回流焊接具备的质量优势。焊料性质、界面氧化、界面气孔等因素也会影响回流焊接质量，并进而影响电子器件热可靠性。基于焊料性质进行分析可以发现，延展性较好的湿焊膏回流存在更少的孔洞形成。基于界面氧化进行分析可以发现，材料氧化或非氧化对回流焊接质量造成影响不大，材料性质和焊接表面平整度带来的影响较为深远。基于界面气孔进行分析可以发现，空洞无法完全消除，因此焊接过程需要尽可能做好空洞预防。完成回流焊接后，可通过空洞分析和拉伸测试评估焊接效果，前者需应用扫描超声显微镜，后者需要得到拉伸测试仪的支持。对于绝缘栅双极型晶体管和发光二极管的焊接来说，焊接设备发挥着关键性作用，这类电子元器件生产需要得到回流焊接炉的支持，融锡的过程属于回流焊接炉的主要作用。结合实际调研可以发现，现阶段进口回流焊接炉价格较高，多数价格在一百万元以上，很多国产回流焊接炉虽然价格较低，但存在技术方面的不足，这种不足必须设法解决。 2.2 接触式回流焊接炉设计 2.2.1 总体结构 回流焊接炉的研发向来受到业界重视，而结合实际调研可以发现，这类研发更多关注对温度场和气流场的模拟，回流焊接炉运行参数基于传热系数的研究也受到广泛关注，结合国内外相关研究，本文将介绍一种新型回流焊接炉，即接触式回流焊接炉。为实现冷却和加热，接触式回流焊接炉以接触热传导为核心，能够开展全过程回流焊接，在流水线式的回流焊接作业操作方面具备显著优势，可较好保障电子器件热可靠性。 在一个密闭腔体内，接触式回流焊接炉存在两个区的设计，冷却区、加热区，加热板设置于加热区，恒定高温可基于加热板保持。冷却板设置于冷却区，冷却水一致低温能够由冷却板提供。通过在托盘占装置需要焊接的电子器件，托盘可在电机驱动下先后进入加热区、冷却区。在回流焊接过程中，加热区负责温度上升，在托盘与加热板位置开展面接触时，热量能够快速传递，通过对托盘与加热板间距离的调节，升温速率可实现科学控制。冷却区负责温度下降，托盘可依托运输系运输至冷却板，在托盘与冷却板位置开展面接触时，产品在托盘上的温度会快速下降。通过对托盘与冷却板间距离的调节，升温速率能够有效控制。接触式回流焊接炉能够通过程序自动控制冷却板和加热板移动、托盘传送，工作可在 24h 下不间断进行，流水线操作可顺利实现。接触式回流焊接炉能够自动完成回流焊接的一系列功能，包括将托盘运送至加热区、托盘面自动接触加热板开展加热、保证温度恒定、向熔点以上加热、抽真空、向冷却区运送托盘、托盘面自动接触冷却板、冷却电子器件至室温。接触式回流焊接炉在的温度调节下，托盘与加热板的距离、加热板的功率属于主要变量，在接触式传热支持下，装载产品托盘与加热板可实现面接触，均匀受热的托盘上产品可保证焊料温度晚于基板温度到达熔点，空洞产生条件因此消除，外围组件温度因辐射加热快速上升问题可有效规避，图 1 为接触式回流焊接炉的构成示意图。 结合图 1 进行分析可以发现，设计采用两片冷却板和加热板，特殊传动机构负责其运动，温度调节通过冷却板和加热板功率及距离完成。采用不锈钢板作为冷却板的材料，基于内部中空设计，冷却可通过通液氮或水的方式完成。冷却区和加热区及对外部空气隔离通过闸门完成，在运动机构支持下，冷却板和加热板能够通过操控上下运动，完成温度的调节与控制。被焊物件放置于托盘上，可实现水平移动，流水线式回流焊接作业可顺利开展。 2.2.2 具体构成 冷却板属于接触式回流焊接炉的主要部件之一，其能够通过机械压缩机制冷、水冷、空气冷却、液氮冷却进行冷却，液氮制冷属于最好的办法。为实现冷却板温度均匀性的保障，设计采用图 2 所示的冷却板绕管方法。 结合图 2 进行分析可以发现，该设计将集流器设置于绕管的两端，在交错分布的顺流和逆流管路支持下，液氮制冷管路能够从两端进液氮，更加均匀的温度分布顺利实现。从冷却板上经过绕管后，液氮能够从液氮喷口（管子末端）喷出，制冷部位温度均匀保障、液氮冷量最大程度利用均可顺利实现。经过冷却板后，液氮能够实现冷却板温度降低，末端管孔中喷出的氮气会使周围出现降低的气体温度。通过将温度传感器设置于冷却板上，电控阀门会在冷却温度达到设定温度时关闭，温度的精确控制能够顺利实现，而通过移动冷却板的位置、改变液氮流量，被冷却物件温度即可顺利控制。 加热板可采用感应加、石英管红外加热、电阻加热，其中集成加热板设计最为简单，这种设计类似于铸铜加热器，均热板和电极可由此省略。通过在云母片上缠绕电加热丝，并将电加热丝通过两片云母片包裹，即可完成三明治”式的加热板结构设计，该结构还需要将白铁皮包裹在最外层，简易电加热板因此制作完成。由于电加热丝通过云母片隔开，且不会导电的白铁皮上不存在电流通过，因此其能够较好发挥均热和导热作用，但这种加热板设计无法实现温度精确控制。为实现对接触式回流焊接炉加热温度的准确控制，电加热材料应选择钼加热片、钨加热片、石墨加热片，同时开展分区加热，温度控制即可更好实现。 在托盘机构设计中，托盘的具体位置基于齿轮的转动精确控制，冷却区和加热区可通过闸门分割，密封有效性能够得到保障。通过将多个齿轮安装于两侧壁面，托盘可由齿轮转动运动，微电脑精确控制的齿轮运动可实现托盘具体位置的确定。采用耐高温材料制成托盘，保证其不易氧化且能够承受低温冲击，电脑控制闸门的运动，托盘的运动不会受到闸门影响。结合相关实践可以了解到，接触式回流焊接炉在流水线操作、批量焊接、快速冷却等方面有着出色表现，依托该设备的回流焊接能够大幅提升电子器件热可靠性，电子封装技术的优势也能够充分发挥。 3 结论 综上所述，电子器件热可靠性会受到多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的电子封装技术、接触式回流焊接炉等内容，则提供了可行性较高的电子器件热可靠性保障路径。为更好保证电子器件热可靠性，回流焊接在惰性气体气氛下的性能研究、回流焊接曲线优化同样需要得到重视。
扫码关注面包板社区
