第5章印刷電路板設計

1、第五章 印刷電路板設計 知識重點 層次原理圖的概念 層次原理圖的設計方法 層次原理圖之間的切換 PCB板的布線 5.1 PCB編輯器的功能特點 Protel 99 SE的PCB設計能力非常強，能夠支持復雜的32層PCB設計， 但是在每一個設計中無須使用所有的層次。例如，如果項目的規(guī)模比 較小時，雙面走線的PCB板就能提供足夠的走線空間，此時只需耍啟 動Top Layer和Bottom Layer的信號層以及對應的機械層、絲印層等層 次即可，無須任何其他的信號層和內(nèi)部電源層。 Protel 99 SE的PCB編輯器提供了一條設計印制電路板的快捷途徑， PCB編輯器通過它的交互性編輯環(huán)境將手動設計

2、和自動化設計完美融 合。PCB的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最大限度地考慮了用戶對速度的要求，通過 對功能強大的設計法則的設置，用戶可以有效地控制印制電路板的設 計過程。對于特別復雜的、有特殊布線要求的、計算機難以自動完成 的布線工作，可以選擇手動布線?？傊琍rotel 99 SE的PCB設計系 統(tǒng)功能強大而方便，它具有以下的功能特點： 豐富的設計法則。 易用的編輯環(huán)境。 合理的元件自動布局功能。 高智能的基于形狀的自動布線功能。 易用的交互性手動布線。 強大的封裝繪制功能。 恰當?shù)囊晥D縮放功能。 強大的編輯功能。 萬無一失的設計檢驗。 高質(zhì)量的輸出。 5.2 PCB界面簡介 PCB界面主要包括3個部分：主

3、菜單、主工具欄和工作面板。 與原理圖設計的界面一樣，PCB設計界面也是在軟件主界面的基礎 上添加了一系列菜單項和工具欄，這些菜單項及工具欄主要用于 PCB設計中的板設置、布局、布線及工程操作等。菜單項與工具欄 基本上是對應的，能用菜單項來完成的操作幾乎都能通過工具欄中 的相應工具按鈕完成。同時用右鍵單擊工作窗口將彈出一個快捷菜 單，其中包括些PCB設計中常用的菜單項。 3.3 層次原理圖的設計方法 根據(jù)上面所講的層次原理圖的模塊化結(jié)構(gòu)，我們知道，層次電路原理 圖的設計實際上就是對頂層原理圖和若干子原理圖分別進行設計的過 程。設計過程的關(guān)鍵在于不同層次間的信號如何正確地傳遞，這一點 主要就是通過

4、在頂層原理圖中放置圖紙符號、電路端口，而在各個子 原理圖中放置相同名稱的輸入輸出端口來實現(xiàn)的。 基于上述的設計理念，層次電路原理圖設計的具體實現(xiàn)方法有兩種： 一種是自上而下的層次原理圖設計，另一種是自下而上的層次原理圖 設計。 在PCB設計過程中，各項操作都可以使用菜單欄中相應的菜單命令來 完成，各項菜單中的具體命令如下: “File”菜單：主要用于文件的打開、關(guān)閉、保存與打印等操作。 “Edit”菜單：用于對象的選取、復制、粘貼與查找等編輯操作。 “View”菜單：用于視圖的各種管理，如工作窗口的放大與縮小，各 種工具、面板、狀態(tài)欄及節(jié)點的顯示與隱藏等。 “Place”菜單：包含了在PCB中

5、放置對象的各種菜單項。 “Design”菜單：用于添加或刪除元件庫、網(wǎng)絡報表導入、原理圖與 PCB間的同步更新及印刷電路板的定義等操作。 “Tools”菜單：可為PCB設計提供各種工具，如DRC檢查、元件的手 動、白動布局、PCB圖的密度分析以及信號完整性分析等操作。 “Auto Route”菜單：可進行與PCB布線相關(guān)的操作。 “Reports”菜單：可進行生成PCB設計報表及PCB的測量操作。 “Window”菜單：可對窗口進行各種操作。 “Help”菜單：幫助菜單。 5.2.1 菜單欄 5.2.2 主工具欄 工具欄中以圖標按鈕的形式列出了常用菜單命令的快捷方式，用戶可 根據(jù)需要對工具欄中

6、包含的命令項進行選擇，對擺放位置進行調(diào)整。 用鼠標右鍵單擊菜單欄或工具欄的空白區(qū)域即可彈出工具欄的命令菜 單。 5.3 電路板物理結(jié)構(gòu)及環(huán)境參數(shù)設置 對于手動生成的PCB，在進行PCB設計前，首先要對板的各種屬性進 行詳細的設置。主要包括板形的設置、PCB圖紙的設置、電路板層的 設置、層的顯示、顏色的設置、布線框的設置、PCB系統(tǒng)參數(shù)的設置 以及PCB設計工具欄的設置等。 電路板的物理邊界即為電路板的物理邊界即為PCB的實際大小和形狀，板形的設置是在工作的實際大小和形狀，板形的設置是在工作 層層面層層面“Mechanical 1”上進行的，根據(jù)所設計的上進行的，根據(jù)所設計的PCB在產(chǎn)品中的位在

7、產(chǎn)品中的位 置、空間的大小、形狀以及與其他部件的配合來確定置、空間的大小、形狀以及與其他部件的配合來確定PCB的外形與尺的外形與尺 寸。寸。 5.3.1 電路板物理邊框的設置 5.4 PCB的設計流程 籠統(tǒng)地講，在進行印制電路板的設計時，我們首先要確定設計方案， 并進行局部電路的仿真或?qū)嶒?，完善電路性能。之后根?jù)確定的方案 繪制電路原理圖，并進行ERC檢查。最后完成PCB的設計，輸出設計 文件，送交加工制作。設計者在這個過程中盡量按照設計流程進行設 計，這樣可以避免一些重復的操作，同時也可以防止一下不必要的錯 誤出現(xiàn)。 PCB設計的操作步驟如下： 1）繪制電路原理圖。 2）規(guī)劃電路板。 3）設

8、置各項環(huán)境參數(shù)。 4）載入網(wǎng)絡表和元件封裝。 5）元件自動布局。 6）手工調(diào)整布局。 7）電路板自動布線。 8）手工調(diào)整布線。 9）DRC校驗。 10）文件保存，輸出打印。 11）加工制作。 5.5 設置電路板工作層面 在使用PCB設計系統(tǒng)進行印制電路板設計前，首先要了解一下工作層 面，而碰到的第一個概念就是印制電路板的結(jié)構(gòu)。 5.5.1 電路板的結(jié)構(gòu) 一般來說，印制電路板的結(jié)構(gòu)有單面板、雙面板和多層板種。 “Single-Sided Boards”：單面板。 “Double-Sided Boards”：雙面板。 “Multi-Layer Boards”：多層板。 5.5.2 工作層面的類型

9、在設計印制電路板時，我們往往會碰到工作層面選擇的問題。Protel 99 SE提供了多個工作層面供用戶選擇，用戶可以在不同的工作層面 上進行不同的操作。當進行工作層面設置時，應該執(zhí)行PCB設計管理 器的“Design”“Options”“l(fā)ayers”菜單命令，系統(tǒng)將彈出對話框。 當進行工作層面設置時，若執(zhí)行PCB設計管理器的 “Design”“Options”“Options”菜單命令，系統(tǒng)將彈出對話框。 5.6 參數(shù)的設置 我們在講到電路板設計步驟時知道，設置系統(tǒng)參數(shù)是電路 板設計過程中非常重要的一步。系統(tǒng)參數(shù)包括光標顯示、 板層顏色、系統(tǒng)默認設置、PCB設置等。許多系統(tǒng)參數(shù)是 符合用戶的

10、個人習慣的，因此一且設定、將成為用戶個性 化的設計環(huán)境，以后無須再修改。 在“Preferences”對話框中可以對一些與PCB編輯窗口相 關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)進行設置。設置后的系統(tǒng)參數(shù)將用于這個工 程的設計環(huán)境，并不隨PCB文件的改變而改變。 5.7 在PCB文件中導入原理圖網(wǎng)絡表信 息 我們知道，印制電路板有單面板、雙面板和多層板三種。單面板由于 成本低而被廣泛泣用。初聽起來單面板似乎比較簡單，但是從技術(shù)上 說單面板的設計難度很大。在印制電路板設計中，單面板設計是一個 重要的組成部分，也是印制電路板設計的起步。雙面板的電路一般比 單面板復雜，但是由于雙面都能布線，設計不一定比單面板困難，深 受廣人

11、設計人員的喜愛。 單面板與雙面板兩者的設計過程類似，均可按照電路板設計的一般步 驟進行。在設計電路板之前，準備好原理圖和網(wǎng)絡表，為設計印制電 路板打下基礎。然后進行電路板的規(guī)劃，也就是電路板板邊的確定， 或者說是確定電路板的大小尺寸。規(guī)劃好電路板后，接下來的任務就 是將網(wǎng)絡表和元件封裝裝入。裝入元件封裝后，元件是重疊的，需要 對元件封裝進行布局，布局的好壞直接影響到電路板的自動布線，因 此非常重要。元件的布局可以采用自動布局，也可以手工對元件進行 調(diào)整布局。元件封裝在規(guī)劃好的電路板上布完后，我們可以運用 Protel 99 SE提供的強大的自動布線功能，進行自動布線。在自動布 線結(jié)束之后，往往

12、還存在一些令人不滿意的地方，這就需要設計人員 利用經(jīng)驗通過手工去修改調(diào)整。當然對于那些設計經(jīng)驗豐富的設計人 員，從元件封裝的布局到布完線，都可以用手工去完成。 我們現(xiàn)在最普遍的電路設計方式是用雙面板設計。但是當電路比較復 雜而利用雙面板無法實現(xiàn)理想的布線時，我們就要采用多層板的設計 了。多層板是指采用四層板以上的電路板布線。它一般包括頂層、底 層、電源板層、接地板層，甚至還包括若干個中間板層。板層越多， 布線就越簡單。但是多層板的制作費用比較高，制作工藝也比較復雜。 多層板的布線主要以頂層和底層為主要布線層，以走中間層為輔。在 需要中間層布線的時候，我們往往先將那些在頂層和底層難以布置的 網(wǎng)絡

13、，布置在中間層，然后切換到頂層或底層進行其他的布線操作。 網(wǎng)絡表是原理圖與PCB圖之間的聯(lián)系紐帶，原理圖的信息可以通過導 入網(wǎng)絡表的形式完成與PCB之間的同步。在進行網(wǎng)絡表的導入之前， 需要裝載元件的封裝庫及對同步比較器的比較規(guī)則進行設置。 5.7.1 準備原理圖和網(wǎng)絡表 由于Protel 99 SE采用的是集成的元件庫，因此對于人多數(shù)設計來說， 在進行原理圖設計的同時便裝載了元件的PCB封裝模型，此時可以省 略該項操作。但Protel 99 SE同時也支持單獨的元件封裝庫，只要 PCB文件中有一個元件封裝不是在集成的元件庫中，用戶就需要單獨 裝載該封裝所在的元件庫。元件封裝庫的添加與原理圖中

14、元件庫的添 加步驟相同，這里不再介紹。 5.7.2 電路板的規(guī)劃 對于要設計的電子產(chǎn)品，不可能沒有尺寸的要求。這就需要設計人員 首先要確定電路板的尺寸，因此首要的工作就是電路板的規(guī)劃，也就 是說電路板板邊的確定。 5.7.3 網(wǎng)絡表和元件的裝入 電路板規(guī)劃好后，接下來的任務就是裝入網(wǎng)絡表和元件封裝。在裝入 網(wǎng)絡表和元件封裝之前，必須裝入所需的元件封裝庫。如果沒有裝入 元件封裝庫，在裝入網(wǎng)絡表及元件的過程中程序?qū)崾居脩粞b入過 程失敗。 1裝入元件封裝庫。裝入元件封裝庫。 2網(wǎng)絡表與元件的裝入。網(wǎng)絡表與元件的裝入。 5.8 元件的自動布局 裝入網(wǎng)絡表和元件封裝后，我們要把元件封裝放入工作區(qū)，這

15、就需要 我們對元件封裝進行布局。 5.8.1 自動布局的菜單命令 Protel 99 SE提供了強大的PCB自動布局功能，PCB編輯器根據(jù)一套 智能的算法可以自動地將元件分開，然后放置到規(guī)劃好的布局區(qū)域內(nèi) 并進行合理的布局。單擊“Tools”“Auto Placernwnt”菜單項即可打 開與自動布局有關(guān)的菜單項。 5.8.2 自動布局約束參數(shù) 再自動布局前，首先要設置自動布局的約束參數(shù)，合理地設置自動布 局參數(shù)，可以使自動布局的結(jié)果更加完善，也就相對地減少了手工布 局的工作量，節(jié)省了設計時間。 自動布局的參數(shù)設計在“PCB Rules and Constraints Editor”對話框 中

16、進行。在主菜單中執(zhí)行“Design”“Rules”菜單命令，打開“PCB Rules and Constraints Editor”對話框，單擊規(guī)則列表中的 “Placement”，逐項對其中的子規(guī)則進行參數(shù)設置。 5.8.3 元件的自動布局 1）單擊執(zhí)行“Tools” “Auto Placer.”菜單項，系統(tǒng)彈出 如圖所示的元件自動布局對話框。自動布局有兩種方式： 成組布局方式和統(tǒng)計布局方式。 5.9 元件的手動調(diào)整布局 元件的手動布局是指手工設置元件的位置。前面曾經(jīng)看到過元件自動 布局的結(jié)果，雖然設置了自動布局的參數(shù)，但是自動布局只是對元件 進行了初步的擺放，自動布局中元件的擺放并不整齊，

17、需要走線的長 度也不是最小，隨后的PCB布線效果不會很好，因此需要對元件的布 局進一步調(diào)整。 在PCB板上，可以通過對元件的移動來完成手動布局的操作，但是單 純的手動移動不夠精細，不能非常齊整地擺放好元件。為此PCB編輯 器提供了專門的手動布局操作，它們都在“Tools”菜單中“Interactive Placement”選項的下一級菜單中，該菜單如圖所示。 5.9.1 元件說明文字的調(diào)整 元件的標注不合適雖然不會影響電路的正確性，但是對于一個資深的 電路設計人員來說，電路板的版面的美觀也是很重要的。因此元件標 注應當加以調(diào)整。 5.9.2 元件的手動布局 下面我們就利用元件自動布局的結(jié)果，繼

18、續(xù)進行手動布局調(diào)整。 1）實現(xiàn)元件的移動。 2）元件的旋轉(zhuǎn)。 3）手工調(diào)整。 5.10 電路板的自動布線 在PCB板上走線的首要任務就是要在PCB板上走通所有的導線，建立 起所有需要的電氣連接，這在高密度的PCB設計中很具有挑戰(zhàn)性。在 能夠完成所有走線的前提下，布線的要求如下： 走線長度盡量短和直，在這樣的走線上電信號完整性較好。 走線中盡量少地使用過孔。 走線的寬度要盡量寬。 輸入輸出端的邊線應避免相鄰平行，一面產(chǎn)生反射干擾，必要時應該 加地線隔離。 兩相鄰層間的布線要互相垂直，平行則容易產(chǎn)生耦合。 自動布線是一個優(yōu)秀的電路設計輔助軟件所必須的功能之一。對于散 熱、電磁干擾及高頻等要求較低的

19、大型電路設計來說，采用自動布線 操作可以大大地降低布線的工作量，同時，還能減少布線時的漏洞。 如果自動布線不能夠滿足實際工程設計的要求，可以通過手動布線進 行調(diào)整。 5.10.1 設置PCB自動布線的規(guī)則 Protel 99 SE在PCB電路板編輯器為用戶提供了6大類設計法則，覆蓋 了元件的電氣特性、走線寬度、走線拓撲布局、表貼焊盤、阻焊層、 電源層、測試點、電路板制作、元件布局、信號完整性等設計過程中 的方方面面。在進行自動布線之前，用戶首先應對自動布線規(guī)則進行 詳細的設置。 單擊“Design”“Rules”菜單項，即可打開“PCB Rules and Constraints Editor

20、”對話框，如圖所示。 5.10.2 啟動自動布線服務器進行自 動布線 布線參數(shù)設置好后，我們就可以利 用Probel 99 SE提供的具有世界一 流技術(shù)的無網(wǎng)格布線器，進行自動 布線了。執(zhí)行自動布線的方法非常 多，如圖所示。 5.11 電路板的手動布線 自動布線會出現(xiàn)一些不合理的布線情況，例如有較多的繞線、走線不 美觀，等等。此時，可以通過手工布線進行一定的修正，對于元件網(wǎng) 絡較少的PCB板也可以完全采用手工布線。下面我們就介紹手工布線 的一些技巧。 手工布線，要靠用戶自己規(guī)劃元件布局和走線路徑，而網(wǎng)格是用戶在 空間和尺寸上的重要依據(jù)。因此，合理地設置網(wǎng)格，會更加方便設計 者規(guī)劃布局和放置導線

21、。用戶在設計的不同階段可根據(jù)需要隨時調(diào)整 網(wǎng)格的大小，例如，在元件布局階段，可將捕捉網(wǎng)格設置的大一點， 如20mil。在布線階段捕捉網(wǎng)格要設置的小一點，如5mil甚至更小，尤 其是在走線密集的區(qū)域，視圖網(wǎng)格和捕捉網(wǎng)格都應該設置的小一些， 以方便觀察和走線。 5.11.1 拆除布線 在工作窗口中單擊選中導線后，按“Delete”鍵即可刪除導線，完成拆 除布線的操作。 5.11.2 手動布線 1手動布線的步驟手動布線的步驟 手動布線也將遵循自動布線時設置的規(guī)則。具體的手動布線步驟如下。 1）執(zhí)行“Place”“Interactive Routing”菜單命令，鼠標將變成十字 形狀。 2）移動鼠標到

22、元件的一個焊盤上，然后單擊鼠標左鍵放置布線的起 點。 手工布線模式主要有5種：任意角度、90度拐角、90度弧形拐角、45 度拐角和45度弧形拐角。按“Shift”+“空格”快捷鍵即可在5種模式間 切換，按“空格”鍵可以對手動布線的開始和結(jié)束兩種模式間切換。 3）多次單擊鼠標左鍵確定多個不同的控點，完成兩個焊盤之間的布 線。 2手動布線中層的切換手動布線中層的切換 在進行交互式布線時，按“*”快捷鍵可以在不同的信號層之間切換， 這樣可以完成不同層之間的走線。在不同的層間進行走線時，系統(tǒng)將 自動地為其添加一個過孔。 5.12 添加安裝孔 電路板布線之后，可以開始著手添加安裝孔。安裝孔通常采用過孔形

23、 式，并和地網(wǎng)絡連接以便后來的調(diào)試工作。 5.13 覆銅和補淚滴 覆銅是由一系列的導線組成，可以完成板的不規(guī)則區(qū)域內(nèi)的填充。在 繪制PCB圖時，覆銅主要是指把空余沒有走線的部分用線全部鋪滿。 鋪滿部分的銅箔和電路的一個網(wǎng)絡相連，多數(shù)情況是和GND網(wǎng)絡相連。 單面電路板覆銅可以提高電路的抗干擾能力，經(jīng)過覆銅處理后制作的 印制板會顯得十分美觀，同時，過大電流的地方也可以采用覆銅的方 法來加大過電流的能力。覆銅通常的安全間距應該在一般導線安全間 距的兩倍以上。 5.13.1執(zhí)行覆銅命令 執(zhí)行“Place”“Polygon Plane”菜單命令，或者單擊Placement工具 條中的按鈕，即可執(zhí)行放置

24、覆銅命令，系統(tǒng)彈出覆銅設置對話框如圖 所示。 5.13.2設置覆銅屬性 執(zhí)行覆銅命令之后，或者雙擊已放置的覆銅，系統(tǒng)會彈出覆銅屬性對 話框。 在覆銅屬性設置對話框中，各項參數(shù)含義如下。 1Net Options “Connect to Net”下拉列表：選擇覆銅連接到的網(wǎng)絡。 “Pour Over Same Net Polygons Only”列表項：覆銅的內(nèi)部填充只與 覆銅邊界線及同網(wǎng)絡的焊盤相連。 “Remove Dead Copper”復選框：是否刪除死銅。死銅即指沒有連接 到指定網(wǎng)絡元上的封閉區(qū)域內(nèi)的覆銅，若選中該復選框，則可以將這 些區(qū)域的覆銅去除。 2Plane Settings

25、“Layer”下拉列表：設定覆銅所在的層面。 “Lock Primitives”復選框：選擇是否鎖定覆銅。 3Hatching Style 選擇覆銅的填充模式。有5種選擇項：“90-Degree Hatch”、“45- Degrees Hatch”、“Vertical Hatch”、“Horizontal Hatch”和“No Hatching”。 對話框的中間區(qū)域內(nèi)可以設置覆銅的具體參數(shù)，針對不同的填充模式， 具有不同的設置參數(shù)選項。 4Surround Pads with 選擇焊盤的圍繞模式。有“Octagons”和“Arcs”兩個選項。 5Minimum Primitive Size 選

26、擇最小覆銅尺寸。 5.13.3放置覆銅 1）執(zhí)行“Place”“Polygon Plane”菜單命令，或者單擊Placement工 具條中的按鈕，即可執(zhí)行放置覆銅命令，系統(tǒng)彈出“Polygon Plane” 對話框。 在覆銅對話框內(nèi)進行設置。 3）單擊按鈕，退出對話框，鼠標變成十字形狀，準備開始覆銅操作。 4）用鼠標沿著PCB的Keep-Out邊界線，畫出一個閉合的矩形框。單 擊鼠標左鍵確定起點，移動至拐點處在此單擊鼠標，直至取完矩形框 的第四個頂點，單擊鼠標右鍵退出。用戶不必費力將矩形框線閉合， 系統(tǒng)會自動將起點和終點連接起來構(gòu)成閉合框線。 5）系統(tǒng)在框線內(nèi)部自動生成了Top Layer的覆銅。 6）再次執(zhí)行覆銅命令，選擇層面為Bottom Layer，其他設置相同， 為底層覆銅。 5.13.4補淚滴 在導線和焊盤或者孔的連接處，通常需要補淚滴，以去除連接處的直 角，加大連接面。這樣做有兩個好處，一是在PCB制作過程中，避免 以鉆孔定位偏差導致焊盤與導線斷裂。二是在安裝和使用中，可以避 免因用力集中導致連接處斷裂。 5.14 應用舉例布線 本節(jié)我們通過一些簡單的實例來向讀者直觀地介紹Protel 99 SE自動 布線器的使用方法。圖5-105所示是一個還沒有進行任何布線但是已 經(jīng)完成布局的電路