SciTech-EECS-电路设计- PCB设计-PCB设计流程 + 元器件封装设计 + PCB设计规则 +PCB布局/布线/覆铜等设计

PCB(印刷电路板)设计, 是以"电路原理图"为根据实现电路设计者所需要的功能。
"PCB设计"主要指"版图设计", 需要考虑:

• "外部Connections(连接)"的布局,
• "内部Components(电子元器件)的优化布局,
• "金属连线" 和 "Via通孔" 的优化布局,
• EM(电磁)保护,
• 热耗散,
• 等各种因素.

优秀的“PCB版图设计”可以:

• 节约生产成本，
• 达到良好的电路性能和散热性能，

简单的版图设计, 可以手工实现.
复杂的版图设计, 需要借助CAD(计算机辅助设计)实现.

PCB 设计流程及基本使用

下图: "实现的" PCB设计流程

绘制PCB的流程主要包含:

• 导入原理图设计到PCB设计工具
• 设置PCB尺寸
• PCB布局
• PCB布线
• PCB验证
• PCB工程文件输出

PCB 层标签(主界面底部有"层控制标签"条)

• 一个PCB有“不同的层”构成，包括“铜导电、绝缘、保护屏蔽、文本和图像丝印层 等.
• 打开 "PCB设计文件(*.PcbDoc, File->New->PCB)", 进入PCB编辑器时，
  此时AD软件主界面的底部为"层控制标签"条, 不同的"层"控制标签, 使用不同的颜色标识.
  以便在 "不同的层" 进行 "绘图操作"。

PCB布局设计

PCB设计流程，首先确定"电路板"的"尺寸与形状"，然后对电路的Components元器件进行布局.
本节介绍电路板的"尺寸设置"和"布局原则及设置".

PCB 形状和尺寸设置

开始PCB设计前, 必须确认PCB的形状和尺寸。
一般来说，PCB的形状和尺寸由设计要求给出；
没给出时，由PCB设计者通盘考虑, 确定PCB的形状和尺寸。
例如, 以一个长方形的PCB设计为例:
其尺寸的长宽比例为:120mm:90mmPCB形状和尺寸。
设置的步骤主要包括:

1. AD软件主界面菜单，选择“File->New->Project”,
   创建一个名为PCB_Project1.PrjPCB的新项目，
   并为新项目添加名称为 PCB1.PCBDoc的文件。

2. AD软件主界面“右下角”，选择“Panels->View Configuration”, 打开视图配置界面.

   • 将 "mechanical 1" 的名称改为 "PCB boundary".

3. AD软件主界面菜单，选择“Edit->Origin->Set”, 设置:

   • 图纸背景为Black(黑色)
   • 左下角为Origin(原点)
   • 并通过 "快捷键Q" 设置 "绘图单位" 为 mm(毫米).

4. 将“绘图标签”切换到“PCB boundary”。
   在AD软件主界面菜单下, 选择“Place ->Rectangle”，

   • 在 Origin(原点)处放置“矩形边框”，尺寸设置为:
     Width:120mm, Height: 90mm，作为PCB Boundary(PCB外部边界)。

5. 选取"4."步在Origin(原点)处放置的“矩形边框”，
   在AD软件主界面菜单, 选择:
   “Design->Board Shape->Define Board Shape From Selected Objects”,
   可设置当前选取的“矩形边框”为PCB Board Shape(PCB板形状).

6. 在AD软件主界面菜单, 选择:
   “Design->Board Shape->Create Primitives From Board Shape”,
   在“Line/Arc Primitives From Board Shape[mm]”对话框:

   • 设置 Layer 为 Keep-Out Layer
   • 单击 OK 按钮退出
     将生成用于布局和布线的“Keep-Out Layer(禁止布线层)”边界。

PCB布局规则的设置

PCB布局前, 设置一些布局规则，以保证正确实现PCB布局.
设置PCB布局规则的步骤包括:

1. 通过快捷键“Ctrl+G”进入“Grid Editor(栅格编辑器)”, 设置如下:
   • Step X: 0.1mm
   • Step Y: 0.1mm
   • Multiplier: 5x Grid Step
2. 在AD软件主界面菜单, 选择“Designer->Rules”，打开:
   “PCB Rules And Constrains Editor(PCB规则和约束编辑器)”,
   在该对话框，设置如下:
   • 展开“Placement ->Component Clearance”，设置:
     • Minimum Vertical Clearance: 3mil
     • Minimum Horizontal Clearance: 3mil
   • 展开“Permitted Layers”，
     • 新增一个名称为“PermittedLayers”的Rule(规则),
     • 在新增的 "PermittedLayers" Rule(规则),
       允许的 "Layer" 为 "Top Layer" 和 "Bottom Layer"

PCB布局原则

在PCB布局时, 要兼顾“美观”和“信号完整性”规则。
下面给出一些PCB布局的建议:

元器件布局基本规则

1. 通常，"所有元器件"都应布置在印刷电路板的"同一面"上。
   只有在Top Layer的元器件过密时，才能将一些
   "高度有限并且发热量小"的器件, 如贴片电阻/电容/IC 放在 Bottom Layer.
2. 布线原则 "先大后小、先难后易", 即先布局 "重要的单元电路" 与 "核心元件"
3. 整个"连接线"尽可能短, 关键"信号线"最短。
   • 高电压大电流信号 与 低电压小电流信号 完全分开
   • 模拟信号 与 数字信号 分开
   • 高频信号 与 低频信号 分开
   • 高频元器件的隔离要充分.
4. 布局上应参考“原理框图”, 根据单板的“主信号流向”规律安排 "主要元器件"。
5. 元器件的"布局"应便于"信号流通"，使信号"尽可能保持一致的方向"。
   多数情况下, "信号的流向" 安排为 "由左到右" 或 "由上到下"。
   与 "输入、输出端" 直连的"元器件", 应靠近 "输入、输出" 接插件或连接器放置.
6. 在保证 "电气性能" 的前提下:
   • 元器件应放置在 "栅格" 上, 且相互 "平行或垂直" 排列, 才整齐、美观。
   • 一般情况, 不允许"元器件重叠"
   • 元器件排列要紧凑
   • Input 和 Output 元器件尽量远离
7. "元器件"或"导线"之间, 可能存在 "高电位差"，
   如果存在, 则应,"加大",它们的距离, 以免因放电、击穿引起意外短路。
8. 带高电压的元器件, 应尽量布置在调试时“人体不易触及的地方”。

元器件排列规则

1. 板边缘的元器件离板边缘至少有“两个板厚”的距离，
   元器件在整个板面上应分布均匀、疏密一致。
2. 同类型“插装元器件”在X或Y方向上, 应朝一个方向放置。
   同一类型的 "有极性分立元器件" 要力争在X和Y方向上同极向, 便于生产和检验。
3. 对于 "非传输边(流水线)" 大于300mm 的PCB,
   "较重的器件" 尽量不要布局在PCB的中间，
   以减小由 "插装器件的重量" 在 "焊接过程" 对 "PCB变形" 的影响.
   以及插装过程, 对PCB板上 "已经贴放" 的元器件 的影响.
   为“方便插装”，推荐将“元器件”布置在“靠近插装操作”侧的位置。
4. 通孔回流焊“元器件”本体间距大于10mm，元器件的 "焊盘边缘"要求:
   与 "传送边"的距离不小于10mm, 与,"非传送边" 距离不小于5mm.
5. 元器件的布局要满足“手工焊接”和“维修”的“操作空间”。
6. 需要安装“较重的元器件”时，应考虑安装的“位置和强度”，
   安装应靠近PCB受力支承点。使PCB板的 "翘曲度" 最小，
   还应计算引脚的“单位面积”所承受的力, 当该值不小于0.22N/m㎡时:
   必须对该模块采取 "固定措施", 不能仅靠引脚的焊接来固定。
7. 对于有结构尺寸要求的“单板”，其元器件允许的最大高度应为:
   “结构允许尺寸”－“印制板厚度”－4.5mm
8. “超高的”元器件应采用“卧式安装” 。

防止电磁干扰

抑制热干扰

可调节元器件的布局

PCB布线设计

"布线" 是有 "连接关系" 的两个 "网络节点" 之间 "生成物理连接通路" 的过程.
AD软件包含一个强大的 "Interactive Routing Engine(交互布线引擎)"。
用于帮助设计者高效率的对PCB进行布线操作，有三种交互式布线:

• Interactive routing(交互布线)
• Interactive Differential Pair Routing(交互差分对布线)
• Interactive Multi Routing(交互多线布线)

交互布线 线宽和过孔大小 设置

但选择一种交互布线方式后，开始手工布线，此时首先考虑两个问题:

• 在布线开始时 以及 在布线的过程, 需要根据“设计要求”确定布线的“线宽”.
• 在不同层之间走线时, 要用Via(过孔)连接, 因此也要根据"要求"事先确定过孔尺寸。
• 在状态栏会显示当前“过孔”或“线宽”的设置。
• 在“布线的过程”根据需要调整 “Track Width”和“Via Size”:
  在“布线的过程”按“Shift+W”组合键，可以更改“Track Width(布线宽度)”。
  在“布线的过程”按“Shift+V”组合键，可以更改“Via Size(过孔尺寸)”

设置 "布线线宽" 和 "过孔大小" 的步骤主要包括:

1. 在AD软件主界面菜单, 选择“Tools->Preference”，打开"Preference"对话框,
   在该对话框 "左侧" 找到并展开 "PCB Editor -> Interactive Routing",
   在 "右侧" 窗口就显示 "Interactive Routing Width(交互布线宽度)”面板，
   该面板上提供:

   • Track Width Mode(布线宽度模式)

   • Via Size Mode(过孔大小模式)
     其“右侧”的“下拉框”提供如下选项:

   • User Choice, 选该选项, 则在布线和放置过孔时,
     有可选的"线路宽度"及"过孔尺寸"列表, 并且由用户选择合适选项.
     单击下方 "Favorite Interactive Routing Widths"按钮，
     编辑或者添加 设置时会用到的“布线宽度”。

   • Rule Minimum, 选该选项, 则在布线时使用,
     由“设计规则”推导出 "最小" 的 布线宽度"和"过孔尺寸".

   • Rule Preferred, 选该选项, 则在布线时使用,
     由“设计规则”推导出"期望使用" 的"布线宽度"和"过孔尺寸".

   • Rule Maximum, 选该选项, 则在布线时使用,
     由“设计规则”推导出 "最大" 的,"布线宽度"和"过孔尺寸".

     • 例如在设计时, 使用16mil/8mil 和 10mil/4mil 的过孔尺寸:
       注释, 16mil是孔的外径，8mil是钻孔的直径.
     • 例如在设计时, 常使用 4mil 作为"布线宽度".
     • 在布线的过程, 通过按 3键(对布线宽度) 或 4键(对过孔尺寸),
       可以在“修改布线宽度和过孔尺寸”的“模式”之间进行切换.
       在状态栏显示了当前过孔或线框的设置.

   • 通常, 在PCB设计过程, 会频繁使用 "所期望使用"的 "布线宽度" 和 "过孔尺寸”。
     所以该节设计对于 "布线宽度和过孔大小" 的设置均使用 Rule Preferred选项.