电路板布局结构及无刷控制器的制作方法

1.本发明涉及一种电路板布局结构，以及一种无刷控制器。


背景技术：

2.目前，无刷电机的广泛的应用于电动工具中，但是，传统无刷控制器的体积较大，导致对于体积较小的电动工具(如手持型电动工具)，不便于无刷电机控制器的安装，即使将无刷控制器安装于体积较小的电动工具中，由于其电路单元多且结构复杂，致使内部零部件较多，不便于散热，导致运行过程中主芯片的温度过高，严重影响主芯片的运行稳定性。特别是，控制系统是无刷直流电机(bldc)的核心部分，易受到电磁干扰的影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种体积小、运行稳定的电路板布局结构。
4.本发明提供的一种电路板布局结构，其包括：
5.第一电路板，其包括布置于其主表面上电性连接的功率部分和驱动部分，所述功率部分包括多个功率元件且与所述驱动部分分区布置；
6.电容，其位于所述第一电路板侧表面的外侧并与之电性连接，且其长度方向轴线与所述第一电路板的主表面相行或平重合；
7.第二电路板，其包括mcu，所述第二电路板对应层叠于所述第一电路板的驱动部分并与之电性连接。
8.进一步地，在垂直于所述电容长度方向上，所述第一电路板和/或所述第二电路板的布置区域位于所述电容的径向高度范围内。
9.进一步地，所述驱动部分和所述电容位于所述功率部分的同一侧或相对的两侧。
10.进一步地，所述功率部分的一侧局部向外延伸突出形成所述驱动部分，该侧其余部分与所述驱动部分组合形成虚拟平面，所述电容布置于所述虚拟平面内。
11.进一步地，所述电容包括电容本体和引脚，其电容本体在垂直于所述第一电路板主表面的方向上的投影与所述第一电路板和/或所述第二电路板在该方向上的投影无重合。
12.较现有技术，本发明的有益技术效果在于：
13.1、实现控制器模块化、标准化设计；加快方案替换速度，降低方案替换成本；缩短项目开发周期；降低产品综合成本。
14.将作为功率中心的第一电路板和作为mcu控制中心的第二电路板分开，独立成两个分别具有不同功能，通用标准接口的独立模块，第一电路板作为驱动和功率模块，实现该部分的模块化通用，只需要按不同的功率段，设计不同的标准功率模块，利用通用化标准接口与作为mcu控制中心的第二电路板进行任意连接安装，组合出不同的产品。
15.当客户有不同的方案和mcu芯片应用要求，或者对相同方案有扩展功能需求，可以针对性的开发对应mcu芯片的第二电路板即可，不必连同第一电路板进行重新布局设计。
16.第一方面能够有效解决市场上方案芯片厂家众多，不同的客户群体需要使用不同的芯片，导致经常需要重新布局设计所有的电路板布局结构，极大加快了方案替换的速度，降低了方案替换的成本；
17.第二方面，因更换芯片导致项目整体电路板布局结构重新设计，导致mcu布板合理性，模拟数字型号混合干扰，emc电磁辐射等，都需要重新测试确认，方案周期很长；而本技术方案，将第二电路板独立分开后，因电路板布局改变只需要进行第一次布板合理性验证即可，将第一电路板作为标准模块之后，关于该标准模块的emc、温升等也只需要进行一次性验证，后续对应匹配不同芯片的第二电路板时，则无需重复进行，极大缩短了项目研发周期。
18.第三方面，让控制器实现标准化，模块化经营，将彻底改变电机控制器行业经营和销售模式，以标准的模块为单元，组合出不同的产品规格，大大节省了原材料、半成品、成品的库存，极大的降低了产品综合成本。
19.2、极限尺寸下实现物理隔热
20.将作为功率中心的第一电路板的主要发热源的功率部分和发热量小的驱动部分，分区布置，将主要发热源的功率部分与散热件接触，集中进行有效散热，并且将作为mcu控制中心的第二电路板与发热量大的第一电路板完全分离，叠层布置，一方面，直接从结构上进行热量传导隔绝，另一方面，此时的mcu与发热量大的功率元件错位布置，保证在极限紧凑的结构要求下，也能够有效避免mcu温度过高，从而保证电路板运行稳定。
21.3、空间置换，进一步压缩总体尺寸
22.将体积较大的电容布置于第一电路板侧表面的外侧，并且其长度方向轴线与第一电路板的主表面相平行或重合，在竖直高度方向上电容部分仅有用于电性连接的引脚与电路板重叠，其它主体部分与第一电路板无任何重叠，其能够有效缩减电路板整体布局的竖直高度；并且将作为mcu控制中心的第二电路板独立出来与驱动部分层叠，恰好空余出来空间尺寸部分，用来容纳电解电容的体积，即：将作为mcu控制中心的第二电路板独立出来叠层安装，不光是为了以上第1点描述的模块化标准化，和第2点极限尺寸下实现物理隔热，也是为了置换出电解电容的安装空间，进一步降低电路板整体布局的竖直高度，从而能够极限降低整体电路板结构尺寸。
23.本发明的另一目的仍在于提供一种体积小、运行稳定的电路板布局结构。
24.本发明提供的一种电路板布局结构，其包括：
25.第一电路板，其包括电性连接的功率部分和驱动部分，所述功率部分包括多个功率元件；
26.电容，其包括电容本体和引脚，所述电容本体通过所述引脚与所述第一电路板电性连接，且所述电容本体平躺地设置于所述第一电路板的外侧；
27.第二电路板，其包括mcu，所述第二电路板对应层叠于所述第一电路板的驱动部分并与之电性连接，且与所述功率元件无重叠。
28.进一步地，所述第一电路板包括具有第一面积s1的第一区域和具有第二面积s2的第二区域，所述第一区域和所述第二区域组合构成一l型缺口，所述驱动部分布置于所述第一区域，所述功率部分布置于所述第二区域，所述电容布置于所述缺口中；其中，s1《s2。
29.进一步地，所述第二电路板具有面积s3，其中，s3≦s1。
30.进一步地，所述第一电路板和/或所述第二电路板在层叠方向上的布置区域位于所述电容的垂直高度范围内。
31.较现有技术，本技术方案具有上述所有有益技术效果，在此不再赘述。
32.本发明的另一目的在于提供一种基于上述电路板布局结构的无刷控制器，其体积小，运行稳定。
33.本发明提供的一种无刷控制器，其包括：
34.第一电路板，其包括电性连接的功率部分和驱动部分，所述功率部分包括多个功率元件；
35.滤波电容，其平躺于所述第一电路板的外侧并与之电性连接；
36.第二电路板，其包括mcu，所述第二电路板对应层叠于所述第一电路板的驱动部分并与之电性连接；
37.电源电路，其包括具有第一标称电压v1的第一电源电路和具有第二标称电压v2的第二电源电路；
38.所述第一电源电路布置于所述第一电路板上，所述第二电源电路布置于所述第二电路板上，其中；v1》v2。
39.进一步地，所述第二电路板至少通过18根电连接线与所述第一电路板相连。
40.进一步地，所述第二电路板与所述第一电路板电性连接网络包括：
41.vcc端口，其为第一电路板的电源输入正极，用于第二电路板对第一电路板输入电源电压检测；
42.gnd端口，其为第一电路板的电源输入负极，用于第二电路板负极接地；
43.dc端口，其为第一电路板电源端口，用于第二电路板对第一电路板电源电压检测；
44.p_powerlock端口，其为第一电路板电源控制脚，用于第二电路板对第一电路板的电源控制；
45.no_io端口，其为第一电路板开关常闭端检测端口，用于第二电路板对第一电路板开关常闭端检测；
46.nc_io端口，其为第一电路板开关常开端检测端口，用于第二电路板对第一电路板开关常开端检测；
47.tempfet端口，其为第一电路板mos温度检测端口，用于第二电路板对第一电路板的mos温度检测；
48.emf_u端口，其为第一电路板输出相线u检测端口，用于第二电路板对输出相线u的检测；
49.emf_v端口，其为第一电路板输出相线v检测端口，用于第二电路板对输出相线v的检测；
50.emf_w端口，其为第一电路板输出相线w检测端口，用于第二电路板对输出相线w的检测；
51.pwm1h端口，其为第一电路板上桥一控制端口，用于第二电路板对第一电路板上桥一的控制；
52.pwm2h端口，其为第一电路板上桥二控制端口，用于第二电路板对第一电路板上桥二的控制；
53.pwm3h端口，其为第一电路板上桥三控制端口，用于第二电路板对第一电路板上桥三的控制；
54.pwm1l端口，其为第一电路板下桥一控制端口，用于第二电路板对第一电路板下桥一的控制；
55.pwm2l端口，其为第一电路板下桥二控制端口，用于第二电路板对第一电路板下桥二的控制；
56.pwm3l端口，其为第一电路板下桥三控制端口，用于第二电路板对第一电路板下桥三的控制；
57.opi_p端口，其为第一电路板电流检测信号p端口，用于第二电路板对功率电流信号p的检测；
58.opi_n端口，其为第一电路板电流检测信号n端口，用于第二电路板对功率电流信号n的检测。
59.较现有技术，本无刷控制器具有上述电路板布局结构的所有有益技术效果，在此不再赘述；除此之外，将电源电路设计为具有第一标称电压v1的第一电源电路和具有第二标称电压v2的第二电源电路；将第一电源电路布置于第一电路板上，用于第一电路板电源，第二电源电路布置于第二电路板上，用于第二电路板电源，其中；v1》v2；可以减少第一电路板与第二电路板之间的电性连接线。
附图说明
60.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
61.图1：本发明具体实施例第一电路板结构示意图；
62.图2：本发明具体实施例第二电路板结构示意图；
63.图3：本发明具体实施例电容与第一电路板配合结构示意图；
64.图4：本发明具体实施例电容与第一电路板配合结构侧视图；
65.图5：本发明具体实施例第一电路板、第二电路板、电容配合结构示意图；
66.图6：本发明具体实施例图5中电容分离状态示意图；
67.图7：本发明具体实施例第一电路板结构布局示意图；
68.图8：本发明具体实施例第一电路板、第二电路板、电容配合布局一示意图；
69.图9：本发明具体实施例第一电路板、第二电路板、电容配合布局二示意图；
70.图10：本发明具体实施例第一电路板、第二电路板、电容配合示意图。
具体实施方式
71.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
72.参照图1至图3所示，一种电路板布局结构，其至少包括第一电路板100，第二电路
板200和电容300；
73.第一电路板100包括布置于其主表面上电性连接的功率部分10a和驱动部分10b，功率部分10a包括多个功率元件10a-1，如多个mos管；功率部分10a与驱动部分10b分区布置；
74.电容300位于第一电路板100侧表面的外侧并与之电性连接，且其长度方向轴线与第一电路板100的主表面相行或平重合，具体参照图4和图5所示；
75.第二电路板200包括mcu，第二电路板200对应层叠于第一电路板100的驱动部分10b并与之电性连接。
76.简单而言，上述第一电路板100和第二电路板200分别具有不同功能，第一电路板100作为功率中心，而第二电路板200作为mcu控制中心。
77.将作为功率中心的第一电路板100和作为mcu控制中心的第二电路板200分开，独立成两个分别具有不同功能，通用标准接口的独立模块，第一电路板100作为驱动和功率模块，实现该部分的模块化通用，只需要按不同的功率段，设计不同的标准功率模块，利用通用化标准接口与作为mcu控制中心的第二电路板200进行任意连接安装，组合出不同的产品。
78.当客户有不同的方案和mcu芯片应用要求，或者对相同方案有扩展功能需求，可以针对性的开发对应mcu芯片的第二电路板200即可，不必连同第一电路板100进行重新布局设计。
79.从而，一方面能够有效解决市场上方案芯片厂家众多，不同的客户群体需要使用不同的芯片，导致经常需要重新布局设计所有的电路板布局结构，极大加快了方案替换的速度，降低了方案替换的成本；
80.另一方面，因更换芯片导致项目整体电路板布局结构重新设计，导致mcu布板合理性，模拟数字型号混合干扰，emc电磁辐射等，都需要重新测试确认，方案周期很长；而本技术方案将作为mcu控制中心的第二电路板200独立分开后，因电路板布局改变只需要进行第一次布板合理性验证即可，将第一电路板100作为标准模块之后，关于该标准模块的emc、温升等也只需要进行一次性验证，后续对应匹配不同芯片的第二电路板200时，则无需重复进行，极大缩短了项目研发周期。
81.此外，本技术方案还可以让基于该电路板布局结构的控制器实现标准化，模块化经营，将彻底改变电机控制器行业经营和销售模式，以标准的模块为单元，组合出不同的产品规格，大大节省了原材料、半成品、成品的库存，极大的降低了产品综合成本。
82.同时，本技术方案中将作为功率中心的第一电路板100的主要发热源的功率部分10a和发热量小的驱动部分10b分区布置，具体设计时，可将主要发热源的功率部分10a与散热件400接触，如图3所示，集中进行有效散热，并且将作为mcu控制中心的第二电路板200与发热量大的第一电路板100完全分离，叠层布置，一方面，直接从结构上进行热量传导隔绝，另一方面，此时的mcu与发热量大的功率元件错位布置，保证在极限紧凑的结构要求下，也能够有效避免mcu温度过高，从而保证电路板运行稳定；
83.此外，将体积较大的电容300布置于第一电路板100侧表面的外侧，并且其长度方向轴线与第一电路板100的主表面相平行或重合，参照图4和图5所示，在竖直高度方向上电容300仅有用于电性连接的引脚与电路板重叠，其它主体部分与第一电路板100无任何重
叠，其能够有效缩减电路板整体布局的竖直高度；并且将作为mcu控制中心的第二电路板200独立出来与驱动部分10b层叠，恰好空余出来空间尺寸部分，用来容纳电容300的体积，即：将作为mcu控制中心的第二电路板200独立出来叠层安装，不光是为了以上描述的模块化、标准化，和极限尺寸下实现物理隔热，也是为了置换出电容的安装空间，进一步降低电路板整体布局的竖直高度，从而能够极限降低整体电路板结构尺寸。
84.参照图4，图5和图6所示，在垂直于电容300长度方向上，第一电路板100和/或第二电路板200的布置区域位于电容300的径向高度范围内。即：
85.参照图6所示，电容300具有沿长度方向的中心截面s1，其截面s1的上限线l1和下限线l2组合构成了第一电路板100和/或第二电路板200的布置区域；具体地，当布置第一电路板100时，第一电路板100布置时最低不会低于下限线l2，最高不会超过上限线l1；同样；当布置第二电路板100时，第二电路板200布置时最低不会低于下限线l2，最高不会超过上限线l1；更好的；当第二电路板200与第一电路板100对应层叠时，二者均最低不会低于下限线l2，最高不会超过上限线l1，于是，电容300截面s1的上限线l1和下限线l2基本就限定了该电路板布局结构的整体高度，很显然，该布局结构在整体的竖直高度上明显降低，布局结构的高度已然是极限状态。
86.参照图1，图3和图7，图8所示，驱动部分10b和电容300位于功率部分10a的同一侧，如图示中的左侧；具体地，功率部分10a的一侧(如左侧)局部向外延伸突出形成驱动部分10b，该侧(左侧)其余部分与驱动部分10b组合形成虚拟平面，电容300布置于虚拟平面s2内。
87.当然，驱动部分10b和电容300还可以位于功率部分10a的相对的两侧，具体参照图9所示。
88.另外，电容300包括电容本体300a和引脚300b，其电容本体300a在垂直于第一电路板100主表面的方向上的投影与第一电路板100和/或第二电路板200在该方向上的投影无重合。
89.请继续参照图8所示，电路板布局结构至少包括第一电路板100，第二电路板200和电容300；
90.第一电路板100包括电性连接的功率部分10a和驱动部分10b，功率部分10a包括多个功率元件，如mos管；
91.电容300包括电容本体300a和引脚300b，电容本体300a通过引脚300b与第一电路板100电性连接，且电容本体300a平躺地设置于第一电路板100的外侧；即，电容300除引脚300b与第一电路板100有重叠之外，其电容本体300a与与第一电路板100无任何重叠；
92.其中，电容300为大体积电子器件，一般呈圆柱体形状，电容本体300a平躺布置时，能减小电路板布局结构的整体高度。
93.第二电路板200包括mcu，第二电路板200对应层叠于第一电路板100的驱动部分10b并与之电性连接，且与功率元件10a无重叠。
94.此技术方案同样具备上述方案记载的实现控制器模块化、标准化设计，加快方案替换速度，降低方案替换成本；缩短项目开发周期；降低产品综合成本的有益技术效果，同时，也能够满足在极限尺寸下实现物理隔热，保证mcu的运行稳定；此外，电容和第二电路板空间置换，进一步压缩总体尺寸。
95.参照图10所示，第一电路板100包括具有第一面积s1的第一区域100a和具有第二面积s2的第二区域100b，第一区域100a和第二区域100b组合构成一l型缺口100c，驱动部分10a布置于第一区域100a，功率部分10b布置于第二区域100b，电容300布置于缺口100c中；其中，s1《s2。
96.第二电路板具有面积s3，其中，s3≦s1。
97.第一电路板100和/或第二电路板200在层叠方向上的布置区域位于电容300的垂直高度范围内。
98.即，参照图6所示，电容300具有沿长度方向的中心截面s1，其截面s1的上限线l1和下限线l2组合构成了第一电路板100和/或第二电路板200的布置区域；具体地，当布置第一电路板100时，第一电路板100布置时最低不会低于下限线l2，最高不会超过上限线l1；同样；当布置第二电路板100时，第二电路板200布置时最低不会低于下限线l2，最高不会超过上限线l1；更好的；当第二电路板200与第一电路板100对应层叠时，二者均最低不会低于下限线l2，最高不会超过上限线l1，于是，电容300截面s1的上限线l1和下限线l2基本就限定了该电路板布局结构的整体高度，很显然，该布局结构在整体的竖直高度上明显降低，布局结构的高度已然是极限状态。
99.此外，本技术还涉及基于该电路板布局结构的无刷控制器。
100.该无刷控制器至少包括第一电路板100和第二电路板200，以及滤波电容300；
101.第一电路板100包括电性连接的功率部分10a和驱动部分10b，功率部分10b包括多个功率元件，如mos管；
102.滤波电容300平躺于第一电路板100的外侧并与之电性连接；
103.第二电路板200包括mcu，第二电路板200对应层叠于第一电路板100的驱动部分10b并与之电性连接；
104.电源电路包括具有第一标称电压v1的第一电源电路和具有第二标称电压v2的第二电源电路；
105.第一电源电路布置于第一电路板100上，第二电源电路布置于第二电路板200上，其中；v1》v2。
106.该无刷控制器具有上述电路板布局结构的所有有益技术效果，如体积小、运行稳定等，在此不再赘述；除此之外，将电源电路设计为具有第一标称电压v1的第一电源电路和具有第二标称电压v2的第二电源电路；将第一电源电路布置于第一电路板上，用于第一电路板电源，第二电源电路布置于第二电路板上，用于第二电路板电源，其中；v1》v2；可以减少第一电路板与第二电路板之间的电性连接线。
107.具体到，上述第一电源电路为15v电源电路，第二电源电路为5v电容电路。
108.第二电路板200至少通过18根电连接线与第一电路板100相连。
109.第二电路板200与第一电路板100电性连接网络包括：
110.vcc端口，其为第一电路板的电源输入正极，用于第二电路板对第一电路板输入电源电压检测；
111.gnd端口，其为第一电路板的电源输入负极，用于第二电路板负极接地；
112.dc端口，其为第一电路板电源端口，用于第二电路板对第一电路板电源电压检测；
113.p_powerlock端口，其为第一电路板电源控制脚，用于第二电路板对第一电路板的
电源控制；
114.no_io端口，其为第一电路板开关常闭端检测端口，用于第二电路板对第一电路板开关常闭端检测；
115.nc_io端口，其为第一电路板开关常开端检测端口，用于第二电路板对第一电路板开关常开端检测；
116.tempfet端口，其为第一电路板mos温度检测端口，用于第二电路板对第一电路板的mos温度检测；
117.emf_u端口，其为第一电路板输出相线u检测端口，用于第二电路板对输出相线u的检测；
118.emf_v端口，其为第一电路板输出相线v检测端口，用于第二电路板对输出相线v的检测；
119.emf_w端口，其为第一电路板输出相线w检测端口，用于第二电路板对输出相线w的检测；
120.pwm1h端口，其为第一电路板上桥一控制端口，用于第二电路板对第一电路板上桥一的控制；
121.pwm2h端口，其为第一电路板上桥二控制端口，用于第二电路板对第一电路板上桥二的控制；
122.pwm3h端口，其为第一电路板上桥三控制端口，用于第二电路板对第一电路板上桥三的控制；
123.pwm1l端口，其为第一电路板下桥一控制端口，用于第二电路板对第一电路板下桥一的控制；
124.pwm2l端口，其为第一电路板下桥二控制端口，用于第二电路板对第一电路板下桥二的控制；
125.pwm3l端口，其为第一电路板下桥三控制端口，用于第二电路板对第一电路板下桥三的控制；
126.opi_p端口，其为第一电路板电流检测信号p端口，用于第二电路板对功率电流信号p的检测；
127.opi_n端口，其为第一电路板电流检测信号n端口，用于第二电路板对功率电流信号n的检测。
128.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。