第8章印制电路板的设计

第8章印制电路板的设计8.1规划电路板8.2载入网络和元件封装8.3PCB设计规则的设置8.4PCB元件布局8.5PCB布线8.6PCB设计的其他操作8.7设计规则检查8.8报表生成与电路板输出8.1规划电路板规划电路板包括：定义电路板的机械边框、电气边框等信息。电路板的机械边框是指电路板的物理外形和尺寸。电气边框是指进行自动布局和布线时电路板上元件及导线所限制的区域。电气边框定义在禁止布线层（Keep-OutLayer）上。规划电路板有两种方法：一种是手工规划电路板边框，包括机械边框和电气边框；另一种方法是利用向导创建PCB文件。8.1.1手工规划电路板1．新建一个PCB文档执行菜单命令：File/New/PCB，即新建了一个的PCB文件。2．设置相对坐标原点执行菜单命令：Edit/Origin/Set，或者单击绘图工具栏的图标，执行命令后光标变成十字型，将十字光标放到合适的位置单击鼠标左键，就确定了一个相对坐标原点，此时状态栏的显示变成X：0mil，Y：0mil。3．规划电路板的机械边框电路板边界设置有关的命令都集中在菜单项Design下面的BoardShape子菜单中，如图所示。●RedefineBoardShape：重新定义电路板外形。●MoveBoardVertices：移动电路板外形顶点。●MoveBoardShape：移动电路板外形。●Definefromselectedobjects：从选中对象定义电路板外形。●Auto-PositionSheet：自动定位图纸。执行菜单命令：Design/BoardShape/RedefineBoardShape，执行命令后，PCB区域变成绿色，将十字光标移到坐标（0，0）处，单击鼠标，然后继续移动鼠标至（2000，0）、（2000，1500）、（0，1500）处各单击一次鼠标，即完成电路板机械边框的绘制。如果在绘制电路板边框过程中，鼠标难以准确定位，可以通过View/Grids/SetSnapGrid命令重新设定锁定网格的大小（例如设定为50mil）。4．规划电路板的电气边框将Keep-OutLayer（禁止布线层）设置为当前工作层，然后执行菜单命令：Place/Line或绘图工具栏的图标，完成电气边框的绘制。本例绘制的电气边框与机械边框大小相同。8.1.2使用向导创建PCB文件1．在“File”工作面板底部的“Newfromtemplate”区域选择“PCBBoardWizard”命令，系统弹出PCB向导首页，如图所示。2．单击PCB向导首页的“Next”按钮，进入PCB向导第二页，即选择度量单对话框，如图所示。选择英制单位3．继续单击“Next”按钮，进入到选择电路板轮廓对话框，如图所示。对话框左边区域列出了多种工业标准板的轮廓类型及尺寸，用鼠标选中某种模板后，在右边区域可以对该模板进行浏览。这里选择Custom（自定义模式）。4．单击对话框的“Next”按钮，进入到自定义PCB信息对话框，如图所示。按图示进行电路板设置。自定义PCB信息对话框的设置内容含义如下：●OutlineShape：选择电路板的轮廓形状，共有3种选择：Rectangular（矩形）、Circular（圆形）和Custom（自定义形状）。这里选择矩形PCB板。●BoardSize：设置电路板的尺寸，可以在Width（宽度）和Height（高度）两个栏中设置。●DimensionLayer：设置尺寸标注所在板层。●BoundaryTrackWidth：设置边界线宽度。●DimensionLineWidth：设置尺寸标注线的宽度。●KeepOutDistanceFromBoardEdge：设置电气边框与机械边框之间的距离。●TitleBlock&Scale：设置是否显示标题栏和标尺。●LegendString：设置是否显示说明字符串●DimensionLines：设置是否显示尺寸标注线。●CornerCutoff：设置电路板是否需要四周切角。●InnerCutoff：设置电路板是否需要内部切块。5．单击对话框中的“Next”，进入到电路板切角设置对话框，如图所示。直接将鼠标放到需要修改的数字上进行修改，这里设置切角宽度为200mil。6．单击对话框中的“Next”按钮，进入到PCB板层设置对话框，如图所示。该对话框用于设置信号层和内部电源层的层数。7．单击对话框的“Next”，进入到选择过孔类型对话框，如图所示。对话框提供了两种过孔的类型：ThruholeViasonly（通孔）和BlindandBuriedViasonly（盲孔和埋孔），这里采用通孔形式。8．单击对话框的“Next”，进入到PCB元件设置对话框。●Theboardhasmostly：用来选择电路板上哪一种元件居多，是表面贴装元件（Surface-mountcomponents）居多还是通孔直插式元件（Through-holecomponents）居多。●Doyouputcomponentsonbothsidesoftheboard？是否在电路板的两面都放置元件，如果在电路板两面都放置元件，选择Yes；如果只在电路板的一面放置元件，选择No。9．单击对话框的“Next”，进入到PCB电气最小尺寸设置对话框，如图所示。设置导线最小宽度设置过孔最小外径设置过孔最小孔径设置最小安全间距10．单击对话框的“Next”，进入到完成对话框，单击该对话框的“Finish”按钮，即完成了电路板的创建过程，规划好的电路板如图所示。8.2载入网络和元件封装载入网络和元件封装的方法有两种，一种是使用网络表文件载入网络和元件封装，另一种是使用设计同步器载入网络和元件封装。8.2.1使用网络表文件载入网络和元件封装下面以图示电路为例，介绍PCB的设计过程。●按图完成原理图的绘制，执行菜单命令：Design/NetlistForDocument/Protel，生成网络表文件。●新建一个电路板文件，并将该PCB文件保存在原理图所在的设计项目中。●规划电路板的机械和电气边框为：2000mil×2000mil。在PCB编辑器中执行菜单命令：Design/ImportChangesFrom*.PrjPCB，弹出工程改变对话框。●单击对话框的“ValidateChanges”按钮，系统开始检查加载的网络和元件封装是否正确●在检查无误的情况下，单击“ExecuteChanges”按钮就可以将网络和元件封装导入到PCB中。关闭工程改变对话框，此时可以看到载入网络和元件封装的电路板。载入网络和元件封装的电路板如图所示。可以看出，所有的元件都集中在一个Room区内，移动Room可以使Room区内的元件一起移动。在层次原理图设计中，每一张图纸中的元件对应一个Room，并且每一个Room可以设置统一的规则（Rule），便于电路的模块化设计。也可以通过Edit/Delete命令将Room删除。8.2.2设计同步器的使用1．使用设计同步器载入网络和元件封装首先新建PCB文件，然后规划好电路板边框。在原理图编辑器中，执行菜单命令：Design/UpdatePCBDocument*.PcbDoc，执行命令后系统也会弹出工程改变对话框，后面的操作与8.2.1节相同。2．使用设计同步器完成原理图与PCB之间的更新（1）将原理图的修改更新到PCB在原理图编辑器中执行菜单命令：Design/UpdatePCBDocument*.PcbDoc，系统将弹出工程改变对话框，对话框中列出了修改的内容。单击对话框中的“ValidateChanges”按钮，系统检查修改内容是否正确，如果在“Check”栏出现标记，表示正确。再单击“ExecuteChanges”按钮就可以将原理图编辑器中的修改更新到PCB中。（2）将PCB中的修改跟新到原理图在PCB编辑器中执行菜单命令：Design/UpdateSchematicsin*.PrjPCB，系统仍会弹出工程改变对话框，按照上面的方法就可以将PCB的修改更新到原理图中。8.3PCB设计规则的设置执行菜单命令：Design/Rules，弹出设计规则设置对话框，如图所示。在设计规则设置对话框左边的DesignRules列表中列出了十种规则类型：电气规则（Electrical）、布线规则（Routing）、表面贴装元件（SMT）规则、阻焊层（Mask）规则、电源层（Plane）规则、测试点（Testpoint）规则、电路板制造（Manufacturing）规则、高频电路（HighSpeed）规则、布局（Placement）规则、信号完整性（SignalIntegrity）规则。本节将对电气规则、布线规则和布局规则进行详细介绍，其他规则一般可采用系统默认值。PCB设计的一般规则1、元器件的布局PCB尺寸要合理，根据具体情况确定特殊元器件的位置后，综合考虑整个电路的功能单元和信号流向，对元器件合理布局。PCB设计的一般规则2、特殊元器件放置应遵循的原则1)尽量缩短高频元器件之间的连线以减少它们之间的分布参数和相互之间的电磁干扰，输入与输出的元器件应尽量远离2)对又大又重及发热量很高的元器件，应用散热支架加以固定，热敏元件应尽量远离发热元件；3)对存在较高电位差的元件或导线之间，应加大它们的距离，以免放电引起短路。4)对于带有强电的元件，应尽量布置在手不易触及的地方，以免危及人身安全；5)预留出电路板定位孔和固定支架所占用的位置；PCB设计的一般规则6)以每个功能电路的核心元件为中心，其他元件要均匀、整齐、紧凑的排列在电路板上，尽量减少元器件按之间的引线和连接；7)通常元器件尽可能平行排列，使美观，并焊接容易，且焊接容易，易于批量生产；8)电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3:2或4:3.若尺寸大于200mm×150mm，应考虑电路板所承受的机械强度，位于电路板边缘的元器件啊，距电路板边缘一般应大于2mm；9)对于可调电感线圈、可变电容器、电位器、微调开关等可调元件的布局应考虑整体结构，使调节容易；10)按照电路中信号的流向安排各个功能单元的位置，使布局便于信号的流通，尽量使信号的流向保持一致。PCB设计的一般规则3、布线应遵循的原则1)对集成电路尤其数字电路，印刷电路板导线的最小宽度为0.2mm~0.3mm，电源线和地线根据流过的电流选择较宽导线，导线间的最小间距通常为5mm~8mm；2)输入与输出端的导线应尽力远离，避免平行，以免发生反馈耦合，如果需要可以在它们之间添加一根地线；3)导线转弯处一般选取圆弧形，并尽量避免使用大面积的铜箔，若需要最好选用栅格状。PCB设计的一般规则4、焊盘大小应遵循的原则焊盘的中心孔要比元器件引脚直径略大一些，通常要大于(d+1.2)mm,其中d为引脚直径；元器件密度高的数字电路，焊盘的最小直径可取：(d+1)mm；PCB设计的一般规则5、去耦电容配置的一般原则1)电源输入端应跨接10uF以上的电解电容；2)原则上每个集成电路芯片之间都应布置一个0.01pF的瓷片电容，若电路板的空间有限，则可每4~8个芯片布置一个1~10pF的钽电容；3)对RAM、ROM等存储元件，应尽力在芯片的电源线和地线直接接入去耦电容；4)若电路板中有继电器、接触器和按钮等元器件时，操作时会有较大的火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。继电器两端还应接入一个二极管来放掉线圈中存储的电流。一般取电阻为1~2k，电容2.2~47uF。PCB设计的一般规则6、元器件之间接线的基本原则1）在印刷电路板中不允许出现交叉电路，对于可能交叉的导线应采用“钻”或“绕”两种方式来解决，即让某些导线从电阻、电容和三极管引脚等元器件的空隙处钻过去，或从可能交叉的另一根导线的一端“绕”过去；2)强电流引线（公共地线、电源线）应尽量放宽，以降低分布电阻即压降，减少因耦合产生的自激振荡；3)在保证电路性能要求的前提下，设计应力求走线合理，少用外接跨线，并按照自左向右、自上而下的顺序进行布线，力求直观，便于安装、检修和调整；4)同一级电路应尽量采用相同的接地点，本级电路的电源滤