一、PCB焊盘の讲究
在PCB设计中，焊盘是一个非常重要的概念，PCB工程师对它一定不陌生。不过，虽然熟悉，很多工程师对焊盘的知识却是一知半解。
今天，带大家来了解下焊盘的种类，以及在PCB设计中焊盘的设计标准。
焊盘，表面贴装装配的基本构成单元，用来构成电路板的焊盘图案(land pattern)，即各种为特殊元件类型设计的焊盘组合。焊盘用于电气连接、器件固定或两者兼备的部分导电图形。
PCB焊盘的种类
1、常见焊盘
- 方形焊盘：印制板上元器件大而少、且印制导线简单时多采用。在手工自制PCB时，采用这种焊盘易于实现。
- 圆形焊盘：广泛用于元件规则排列的单、双面印制板中。若板的密度允许，焊盘可大些，焊接时不至于脱落。
- 岛形焊盘：焊盘与焊盘间的连线合为一体。常用于立式不规则排列安装中。
- 多边形焊盘：用于区别外径接近而孔径不同的焊盘，便于加工和装配。
- 椭圆形焊盘：这种焊盘有足够的面积增强抗剥能力，常用于双列直插式器件。
- 开口形焊盘：为了保证在波峰焊后，使手工补焊的焊盘孔不被焊锡封死时常用。
- 梅花焊盘
2、特殊焊盘
- 梅花焊盘通常用在大的过孔接地的位置，这样设计有以下几点原因：
1）固定孔需要金属化和GND相连， 如果该固定孔是全金属化的，在回流焊的时候容易将该孔堵住。
2）采用内部的金属螺孔可能由于安装或多次拆装等原因，造成该接地处于不良的状态。而采用梅花孔焊盘，不管应力如何变化，均能保证良好的接地。
- 十字花焊盘
- 十字花焊盘又称热焊盘、热风焊盘等。其作用是减少焊盘在焊接中向外散热，以防止因过度散热而导致的虚焊或PCB起皮。
1）当你的焊盘是地线时候。十字花可以减少连接地线面积，减慢散热速度，方便焊接。
2）当你的PCB是需要机器贴片，并且是回流焊机，十字花焊盘可以防止PCB起皮（因为需要更多热量来融化锡膏）。 - 泪滴焊盘
当焊盘连接的走线较细时常采用，以防焊盘起皮、走线与焊盘断开。这种焊盘常用在高频电路中。
PCB设计中焊盘的设计标准
1、PCB焊盘的形状和尺寸设计标准
- 调用PCB标准封装库。
- 有焊盘单边最小不小于0.25mm，整个焊盘直径最大不大于元件孔径的3倍。
- 尽量保证两个焊盘边缘的间距大于0.4mm。
- 孔径超过1.2mm或焊盘直径超过3.0mm的焊盘应设计为菱形或梅花形焊盘。
- 布线较密的情况下，推荐采用椭圆形与长圆形连接盘。单面板焊盘的直径或最小宽度为1.6mm；双面板的弱电线路焊盘只需孔直径加0.5mm即可，焊盘过大容易引起无必要的连焊。
2、PCB焊盘过孔大小标准
焊盘的内孔一般不小于0.6mm，因为小于0.6mm的孔开模冲孔时不易加工，通常情况下以金属引脚直径值加上0.2mm作为焊盘内孔直径，如电阻的金属引脚直径为0.5mm时，其焊盘内孔直径对应为0.7mm，焊盘直径取决于内孔直径。
3、PCB焊盘的可靠性设计要点
- 对称性：为保证熔融焊锡表面张力平衡，两端焊盘必须对称。
- 焊盘间距：焊盘的间距过大或过小都会引起焊接缺陷，因此要确保元件端头或引脚与焊盘的间距适当。
- 焊盘剩余尺寸：元件端头或引脚与焊盘搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成弯月面。
- 焊盘宽度：应与元件端头或引脚的宽度基本一致。
二、分析4种5V太阳能路灯电路图
太阳能路灯电路包括光伏电池、蓄电池、路灯和控制器四部分。设计中采用AT89S52单片机，并将其作为智能核心模块。外围电路主要包括太阳能电池电压采样模块、蓄电池电压采样模块、键盘电路模块、LED显示模块、充放电控制模块等。
描述TPS61165的工作输入电源电压介于3V～18V之间，可提供高达38V的输出电压。该器件具有额定40V集成型开关FET，可驱动多达10个串联LED。其可在1.2MHz固定开关频率下工作，不仅能够显著降低输出纹波、提升转换效率，而且还允许使用小型外部组件。在默认情况下，白光LED（WLED）的电流由外部感测电阻RSET设定，反馈电压稳定在200mV。
无论采用数字还是PWM调光方法，TPS61165在输出电容上的输出纹波均非常小，而且不会产生普通开启/关闭控制调光所产生的音频噪声。为了在开路LED条件下提供保护，TPS61165可禁用开关，以防止输出超过最大绝对额定值。PMP3598将TPS61165用于非同步升压设计。在运算放大器周围构建的额外电路不仅能实现电池欠压/充电指示功能，而且还能在太阳能板和电池输入之间提供ORing功能。此外，该电路还集成了必备的过热与过流保护功能，并具备负载断连特性。
该设计的重要优势在于拥有极高的效率和良好的LED稳流性能。TPS61165可在能够稳定LED电流的恒流模式下工作。CTRL引脚可同时用于数字与PWM调光的控制输入。每次启用器件时即可选择TPS61165的调光模式。通过改变反馈参考电压也可实施模拟调光。可使用20k欧的可变电阻来改变LED电流，以达到调光的目的。转换器可在350mA条件下将电压从6V提升至10.5V，转换效率不低于85%。该电路可用于驱动三个1W的LED或输入总功率不超过3W的多个50mA的LED。
硬件电路设计
选择DS1302计时器、AT24C02存储器、4位数码显示器、过充过放电路、STC12C2051单片机等组成智能控制系统。根据各部分电路的功能不同，整体电路可分为以下几个部分：太阳能电池板组件、过充过放电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。
电源电路设计
电源电路如下图所示。系统由太阳能电池板供电，24V蓄电池电压经过7805稳压后产生5V电压，作为控制器的主电源。电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C1为滤波电容。
方案选择
采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工调整开关时间，费时费力，不利于节能。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。
电子钟表型定时开关使用的也较多，常用LＲ6818、LM8650、LM8561等集成块为中心的电子钟电路。下图为与单片机的连接图，其中VCC1为主电源，VCC2为后备电源。在一般情况下，SCL、I/O、ＲST与单片机连接实现1302的读写控制。
存储器AT2402的1，2，3脚为空脚，4脚为接地端，5脚为数据端，6脚为时钟端，7脚为写保护端口，8脚为电源。
AT24C02在设计中的作用是掉电存储器，是为防止电源突然断开时，用户信息不会丢失，存储当前设定的信息。AT24C02是Atmel公司的2kB的电可擦除存储芯片，由于AT24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL（移位脉冲）和SDA（数据/地址）与单片机传送数据。电压最低可达2.5V，额定电流为1mA，静态电流10μA（5.5V），芯片内的资料可在断电的情况下保存相当长的时间，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。其与单片机的连接如下图所示。
太阳能路灯与普通路灯控制电路功能基本相同，均是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯以及对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。
太阳能路灯控制器设计
路灯控制系统工作原理：白天光伏电池向蓄电池充电，晚上蓄电池提供电力供路灯照明。所以蓄电池将构成一个充放电循环。太阳能路灯照明控制电路包括光伏电池、蓄电池、路灯和控制器四部分。设计中采用AT89S52单片机，并将其作为智能核心模块。外围电路主要包括太阳能电池电压采样模块、蓄电池电压采样模块、键盘电路模块、LED显示模块、充放电控制模块等。下图是太阳能路灯控制器结构设计图。
单片机智能控制模块
太阳能路灯控制器选择ATMEL公司的8位单片机AT89S52为核心的智能控制模块，在整体上具有低功耗、性能高的特点。
单片机振荡电路
单片机振荡电路如下图所示。
复位电路
复位电路如下图所示，电路结构简单，稳定可靠。
电源电路模块设计
系统正常工作电压为5V，系统采用12V／24V的铅酸蓄电池供电，蓄电池电压不稳定，所以需要对电源进行稳压。本系统采用LM7805三端稳压器，其输入电压在5～24V时均可以保证输出为稳定的+5V。LM7805组成稳压电源只需要很少的外围元件，使用起来非常方便，工作稳定可靠J。系统电源电路如下图所示。
采样模块设计
太阳能电池采样和蓄电池采样对于系统正常运行起着非常重要的作用。太阳能路灯控制器要对蓄电池充放电进行合理控制，即需对蓄电池、太阳能电池板电压进行采样。为此，AT89S52单片机就要外接A／D转换模块，把电压转换为数字信号，系统选用v／F转换芯片LM331组成数模转换电路。在系统采样设计中，为了防止因为外部因素导致AT89S52程序跑飞或死机，提高系统稳定性，在LM331与单片机之间还需增加单通道的高速光电隔离器6n137J。下图为太阳能电池板采样电路图。系统蓄电池采样和太阳能电池板采样电路相同。
下图所示太阳能灯电路是一种低损耗电路，使用一只7W四引脚CFL（小型荧光灯）和一块12V、7-Ahr密封免维护电池。逆变器的效率大于85%，静态电流小于2mA。它有一个带电池过放电保护功能和过充电保护功能的并联充电控制器。低静态电流、过放电保护功能和过充电保护功能三者确保电池使用寿命很长。逆变器的预热功能可以避免CFL两端变黑，从而延长其使用寿命。这一电路可在农村地区用作一种可靠小巧的便携式光源，在城市用作应急灯系统。并联充电控制器电路包括IC1（低电流2.5V电压基准源LM385）和IC2（LM324比较器）。配有电阻R1 ~ R8和三极管Q1的IC2A可防止电池过放电。
这种太阳能供电的电灯驱动器可用作应急灯系统。
当电池电压低于10.8V时，该电路切断负载（逆变器和灯管），从而防止电池过放电。在无负载状况下，电池放电后的电压约为12.2V，因此，为防止出现振荡现象，电路提供的过放电复位电压为12.3V。红发光二极管LED1指示低电压状态。配有电阻R9 ~ R14和三极管Q2的IC2B可防止电池过充电。当电池电压超过14.8V时，Q2导通，并使太阳能电池阵列旁流，从而防止电池过充电。当电池电压低于12.5V时，Q2截止，太阳能板电池阵列对电池进行充电。D2为一支反向阻隔二极管。它能防电池在太阳能电池不产生电能时对太阳能电池放电。黄发光二极管LED2指示电池充满电。绿发光二极管LED3与IC2c和电阻R15 ~ R20一起，提供充电指示。
三、红外线遥控电动窗帘电路设计
红外窗帘遥控器的系统框图如图3-1所示，红外窗帘接收控制器的系统框图如图3-2所示。
该系统主要有两个部分组成：一是遥控器部分，其功能为：单片机扫描遥控器上的6个按键（启动/停止，打开，关闭，速度减小，速度增加和自动），当某个按键按下后，单片机便通过红外发光二极管发射该按键的编码。二是接收控制器部分，其功能是用单片机通过红外一体化接收头接收遥控器发出的编码并进行解调，解调后根据编码的功能来控制步进电机的状态，从而实现窗帘的打开、关闭或停止等功能。
硬件电路设计主要包括：红外发射模块、红外接收模块、显示模块、光控模块、电机驱动模块、窗帘框架构造设计。
1 红外发射模块
红外发射模块主要包括单片机最小系统，按键，红外发射电路组成。本设计所要实现的功能不是很多，所以控制按键采用4X4 的矩阵键盘即可达到要求，另外发射过程中单片机输出端产生的脉冲信号为38KHz，所以采用一12M 晶体振荡器即可发出满足要求的频率。
红外线的发射过程如图3-3所示。
硬件电路设计主要包括：红外发射模块、红外接收模块、显示模块、光控模块、电机驱动模块、窗帘框架构造设计。
根据红外发射管本身的物理特性，必须要有载波信号与即将发射的信号相“与”，然后将相“与”后的信号送给发射管，才能进行红外信号的发射与传送，而在频率为38KHZ 的载波信号下，发射管的性能最好，发射距离最远，所以在硬件设计上，本设计利用单片机产生38KHZ 载波信号，与发射信号进行逻辑“与”运算后，通过极管的功率驱动到红外发光二极管上。
红外遥控器由51单片机、矩阵键盘、红外发射二极管、NPN 型三极管等组成。键盘用于输入控制指令，51单片机检测键盘上的按键状态，并对红外信号进行调制。发射二极管发射红外线，当单片机P3.4 口输出为“0”时，红外发射管不发光，当单片机P3.4 口输出为“1”时，红外发射管发出38KHZ 调制红外线。
红外信号调制过程如图3-5所示。
2 红外接收模块
红外一体化接收头（HS0038） 实物图如图3-6 所示。
红外线接收电路使用的是集成红外接收器，型号为HS0038，它接收红外信号的频率为38kHz，周期约26us，采用黑色环氧树脂封装，提供了一个特殊的红外滤光器，可防止自然光、荧光灯等光源的千扰，内附磁屏蔽， 功耗低，灵敏度高。在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达35m。它能与TTL、COMS电路兼容。
静态时输出端输出高电平，当接收到红外信号后，按红外信号的数据波形输出负脉冲数据信号。红外信号输出到单片机的P3.2 口，该口对应的第二功能是外部中断0（INT0），利用这一功能，一旦接收到红外信号，P3.2 即被拉低，单片机产生中断，处理红外信号”。
红外接收头完成对红外信号的接收、放大、检波、 整形，并解调出遥控编码脉冲，输出可以让单片机识别TTL 信号，再送给单片机，经单片机解码并执行去控制相关对象。三个管脚分别是GND、+5V 电源、OUT（解调信号输出端），红外接收头电路如图3-7 所示。
3 显示模块
LCD1602 采用标准的14脚（无背光） 和16脚（有背光） 接口，各接口信号说明如表3-1所示。液晶是一种高分子材料， 因为其特殊的物理、化学、光学特性，20 世纪中叶开始广泛应用在轻薄型显示器上。
液晶显示器 （LCD） 的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、 线、面并配合背部灯管构成画面。液晶显示器采用目前使用的比较广泛的字符型液晶显示器LCD1602。1602 液晶每行可显示16 个字符，一共可以显示两行。LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM） 已经存储了160 个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等。每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
在本设计中LCD1602 的主要功能为显示所接收到的遥控器按键编码、运行状态（RUN，STOP或AUTO）、速度等级等内容。
（1）引脚功能说明
当向00~0F、40~4F 地址中的任一处写显示数据时，液晶都可以立即显示 出来，当写到10~27、50~67 地址时，必须通过移屏指令将它们移入可显示区域方可正常显示。
（3）LCD1602 电路接线说明
PO 口作为数据口，P0.0~P0.7 分别连接LCD1602 的D0~D7 数据口，来传输数据及指令，由于PO 口带负载驱动能力差，故需接上拉电阻。P2.4 接LCD1602 的4脚RS （数据/命令选择端），P2.5接LCD1602的5脚RW （读写，/选择端），P2.6接LCD1602的6脚EN （使能信号） VSS接地（电源地），VDD接5V 电源 （电源正极），VEE 为液晶显示偏压信号。显示模块电路接线图如图3-9所示。
4 光控模块
光敏电阻模块由光敏电阻传感器、可调电位器、宽电压LM393 比较器、 电源 指示灯、电容等元器件组成。光敏电阻对环境光线非常敏感，在黑暗的环境下，它的阻值很高，当受到光照并且光辐射能量足够大时，电阻变小。
光敏电阻的管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案。
电压比较器（LM393） 是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生越变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。参考电压加在运放的反相输入端，输入电压加在同相输入端，当输入电压小于参考电压时， 运放输出高电平（D0=1），当输入电压大于参考电压时，运放输出低电平（D0=0）。光敏电阻模块上有一个可调电位器用来调节光敏电阻的触发灵敏度，使光线控制在一定的范围之内。光敏电阻模块的DO输出端与单片机的P2.0 口相连，通过单片机来检测DO端口高低电平，以此来判断光线的强度，当环境光线亮度达不到设定阈值时，DO 端输出低电平（光线较暗） 步进电机正转，当外界环境光线亮度超过设定阈值时， DO 端输出高电平（光线较亮） 步进电机反转，从而实现窗帘的打开和关闭。光敏电阻检测电路如图3-10所示。
5 步进电机驱动模块
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，具有瞬时启动和急速停止的优越特性，通过改变脉冲的顺序就可以方便的改变转动的方向，步进电机必 须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候步进电机静止， 当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一 个固定的角度（即步进角）。转动的速度与脉冲的频率成正比。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的; 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机驱动电路如下图所示。本系统采用的是额定电压为5V DC，相数为4相的步进电机，驱动方式为4 相8拍，一共有5根连接线，其中红色为电源线，采用单极性直流电源供电。由于单片机I/0 口输出的电流比较弱不能直接驱动步进电机。所以要加一个ULN2003 芯片（步进电机驱动芯片） 来放大电流使之能够驱动步进电机工作。
ULN2003芯片是高耐压、大电流，内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。经常在以下电路中使用，显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、伺服电机驱动、步进电机驱动等电路中。ULN2003 的每一对达林顿管都串联一个2.7K 的基极电阻，在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连。可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。
ULN2003 的封装采用DIP-16 或S0P-16，ULN2003 可以驱动7 个继电器具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿管还可以并联使用以达到更高的电流输出能力。
当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，对应转 子也就转过一定的角度（一个步距角）， 步距角为对应一个脉冲信号， 电机转子 转过的角位移，当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。由于单片机I/0 口没有上拉电阻驱动能力有限，需要通过ULN2003来驱动步进电机”。驱动端口为P1.0（A）， P1.1（B）， P1.2（C），P1.3（D）。红色电线接电源+5V，橙色 电线接P1.3 口，黄色电线接P1.2 口，粉色电线接P1.1口，蓝色电线接P1.0 口。如果P1口输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电。则步进电机的控制字见表3-2。
6 窗帘框架构造设计
窗帘框架构造设计包括位置传感器开关电路和窗帘架结构的设计。
本设计中采用两个位置传感器接在单片机的P2.1引脚上，位置传感器电路图如图3-12所示。
位置传感器固定在窗帘滑杆上，一个安装在窗帘杆的正中间，另一个安装 在窗帘杆的最左端或最右端。当窗帘完全打开或完全关闭时，位置传感器便产生有效信号并送给单片机，通过程序使步进电机停转，窗帘停止运动，防止在窗帘完全打开（关闭） 时步进电机继续运行损坏窗帘，窗帘框架构造如图3-13 所示。
四、二极管常用电路
1 防反接功能
在主回路中，串联一个二极管，是利用二极管的单向导电的特性，实现了最简单可靠的低成本防反接功能电路。这种低成本方案一般在小电流的场合，类似小玩具等。因为二极管导通会有一个0.7V（硅管）的导通压降，如果实际电流很大的话，那么就会产生一个热损耗，会导致发热。而且如果反接的电压很大的话，超过反向截止电压，也会击穿二极管本身，导致二极管失效，起不到防反接的功能，从而不能起到保护后级电路的作用了。
2 整流作用
整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。
3 稳压作用
具备稳压作用的二极管叫做稳压二极管，英文名称Zener diode，又叫齐纳二极管。利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变，其基本电路结构如下图所示。
4 续流作用
续流二极管都是并联在线圈（感性元器件）的两端，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把原件如三极管，等造成损坏。续流二极管并联在线 两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。丛而保护了电路中的其它原件的安全。常见的电路结构如下。
又或者BUCK芯片电路中的续流二极管
5 检波作用
峰值检波电路是对输入信号幅值的最大值进行检测，其工作原理是：当输入电压幅度大于二极管正向电压时，二极管导通，输出电压加在电容C1上，电容两端充电完毕，当输入电压幅值低于先前输入电压幅值时，二极管处于反偏截止状态，此时，电容两端的电压基本保持不变；若再输入信号，输入电压幅度必须高于此时电容两端的电压（即加在二极管的正向电压），二极管才能导通。
6 倍压作用
下图是一个2倍压电路原理图，其工作过程大概分析如下：
电源负半周时，二极管D1导通，D2截止，电流从电源下端流出经过D1, C1回到电源，因此电容C1右正左负，如下图中红色箭头。电源正半周时，电容C1上的电压叠加电源电压，使二极管D2导通，二极管D1截止，电容C2上正下负，峰值电压可达2倍电源的峰值电压，即实现二倍压，该半周期时电流走向如下图中桔色箭头所示。
7 ADC检测口电压钳位作用
在一些ADC检测电路中会用两个二极管进行钳位保护，原理很简单，0.7V为D1和D2的导通压降，Vin进来的电压大于等于3.3V+0.7V时，D35导通，Vout会被钳位在4V；Vin小于等于-0.7V时，Vout被钳位在-0.7V左右。
8 包络线检测作用
电路结构如下所示，设计要点是RC的时间常数需远大于载频的周期，又要远小于调制信号的周期。
