1、印制电路板设计实例第7章 印制电路板设计实例 在Protel DXP中，印制电路板的设计主要包括电路原理图设计和PCB电路板的设计，而网络表是二者之间的桥梁和纽带。印制电路板的设计是所有设计步骤的最终环节，前面介绍的原理图设计等工作只是从原理上给出了电气连接关系，其功能的最后实现还是依赖于PCB板的设计，因为制板时只是向制板厂商送去PCB图而不是原理图。 本章将介绍DXP的印制电路板PCB编辑器的常用操作，以及PCB印制电路板(PrintedCircuit Board)的一些基础知识，然后根据PCB的设计流程，详细介绍利用Protel DXP设计PCB的几个实例，使读者通过这些实例的学习为绘制
2、印制电路板打下扎实的基础。71 印制电路板设计基础 本节讲解一些印制电路板设计的基本知识，通过本节的学习可以使初次接触印制电路板设计的读者能够对印制电路板设计有一个初步的认识，掌握一些基本概念；对于熟悉电路板设计的读者可以跳过本节直接进入下面章节的学习。711 印制电路板的几个概念 印制电路板也称为印刷电路板或印制板，就是通常所说的PCB板。印制板是通过一定的制作工艺，在绝缘度非常高的材料上覆盖上一层导电性能良好的铜薄膜构成覆铜板，然后根据具体的PCB图的要求，在覆铜板上刻蚀出PCB图上的导线，并钻出印制板安装定位孔以及焊盘和过孔。印制板的分类方法很多。根据板材的不同可以分为纸质覆铜板、玻璃覆
3、铜板和挠性塑料制作的挠性覆铜板。根据导电层数的不同，可以把印制电路板分单面板，双面板和多层板。这种分类方法是和PCB图的设计密切相关的。下面是这种分类方法的比较。 单面板。单面板只有一面可以走线，另一面没有敷铜的电路板。它结构简单，成本 低廉，适用于相对简单的电路设计，但是对于稍复杂的电路，由于单面板只能在一 面走线，所以布线困难，容易造成无法布局的局面。因此通常只有电路比较简单时 才采用单面板的布线方法。 双面板。双面板的两面都可以布线，分顶层和底层。一般只在顶层放置元器件，当 然在顶层和地面都放置元器件也是可以的，但尽量不要这样做。采用双面板可以设 计比较复杂的电路，由于它的双面都可以走线
4、，所以只要参数设置合理，自动布线 器的布通率几乎是100，因此，它是使用最广泛的印制电路板结构。多层板。多层板是指4层或4层以上的电路板，它是在双面板的顶层和底层的基础 上，增加了内部电源层、内部接地层和若干中间布线层。板层越多，则布线的区域 也就越多，布线就越简单。但是由于多面板制作工艺复杂，成本较高。随着电子技 术的快速发展，电子产品越来越小巧精密，电路板的制作也越来越复杂，因此目前 多层板的应用也比较广泛。1元器件的封装形式 元器件的封装形式是一个空间的概念，它描述了元器件的空间尺寸，是元器件的一个特性。但是，元器件的封装形式与元器件本身并不是一一对应的关系，也就是说，不同的元器件可以共
5、用一个封装形式，而同一种元器件也可以有不同的封装形式。例如，RES2代表普通金属膜电阻，它的封装形式却有多种，有AXIAL-03，AXIAL-04，AXIAL-05等。所以在使用一种元器件时，不但要了解它的电气特性，还要了解它的空间特性，也即该元器件的封装形式。 传统式元器件封装是指该封装形式的焊盘要穿过电路板，从项层穿下，在底层进行元器件引脚的焊接。如图71所示是传统电阻、电容和74系列集成芯片74LS245的传统封装形式。该封装形式的优点是易于进行布线，操作方便，在实际使用中元器件可以替换。图7一1传统式元器件封装形式举例 传统式元件封装形式有DIP封装，双列直插封装(Dual lnlin
6、e Package)，还有一种是芯片载体座式封装，如PLCC封装和塑料有引线芯片座式封装(Plastic Leaded Chip Carrier)，LCCC封装是陶瓷无引线芯片座式封装(Leadlcss Ceramic Chip Carrier)，JLCC封装是陶瓷有引线芯片座式封装(Ceramic Leaded Chip Carrier)。它们的共同特点是焊盘要打通电路板。 表面粘贴式元件封装是指元器件的焊盘都附在电路板的表面，像一般的SMDSMC元器件(Surface Mounted DeviceComponent)。随着芯片集成技术与电子技术的发展，越来越多的芯片采用表面粘贴式封装，它的
7、突出优点是体积非常小，且元器件不易受干扰。如图7-2所示是片状电容、片状电阻和74LS245DW的表面粘贴式封装。表面粘贴式封装有PQFP(Plastic Quad Flat Package，塑料四方扁平封装)和TQFP(Thin plastic Quad Flat Package，薄塑料四方扁平封装)等。图7-2表面粘贴式元器件封装形式举例元器件封装命名一般是元器件封装类型+焊盘距离焊盘数，可以根据元器件封装来判断元器件的外形规格。如AXIAL-05表示该元器件的外形是轴状的，两个焊盘的距离为05Kmil，即500 mil(毫英寸)。又如DIP-20表示双列直插式元件封装，共有20个引脚。
8、注意 Protel DXP系统中采用两种单位，公制和英制英制单位为毫英寸，用mil表示公制单位为毫米，用mm表示 1 mil=0.0254mm l mm=39.37mil2铜膜导线 铜膜导线就是电路板上的实际走线，用于连接各元器件的各个焊盘。与铜膜导线有关的另一种线叫做飞线，也叫预拉线，飞线是系统在装入网络表后自动生成的，用来指引布线的一种连线。 飞线与铜膜导线的本质区别在于是否具有电气连接特性。飞线只是一种形式上的连线，它只是形式上表示出各个焊盘问的连接关系，没有电气的连接意义。导线则是根据飞线指示的焊盘问的连接关系而布置的具有电气连接意义的真实的连接线路。3助焊膜和阻焊膜 “膜”根据其所处
9、的位置及作用，可分为顶层底层助焊膜(TopBottom Solder Mask)和顶层底层阻焊膜(TopBottom Paste Mask)两类。助焊膜是涂在焊盘上，提高可焊性的一层膜；阻焊膜正好与助焊膜相反，为了使制作的电路板满足波峰焊或回流焊等焊接形式，要求电路板上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。助焊膜与阻焊模是互为补的关系。4层 由于现在电子线路的元器件安装密集，抗干扰和布线等特殊要求，除了顶层和底层走线外，在电路板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔，这些夹层铜箔大多设置为内部电源层和内部接地层，用来提高电路板的可靠性，也由一些夹层铜
10、箔可以走线，它通过半盲孔(Blind)和盲孔(Buried)与其他层相连。5焊盘和过孔 焊盘的作用是放置元器件引脚和连接导线。元器件焊盘的类型受该元器件的形状、大小、布置形式、振动和受热状况、受力等因素的影响，Protel DXP为此提供了各种不同外形的焊盘。一般焊盘孔径的尺寸要比元器件引脚的直径大820 mil。 过孔是用来连接不同层之间铜箔导线的，它的作用与铜箔导线一样，是用来连接元器件之间的引脚的。过孔有三种形式，如图7-3所示。 通孔(Through) 从顶层打通到底层的过孔。 半盲孔(Blind) 从顶层或底层到某个中间层，不打通，但外部可见。 盲孔(Buried) 只用于中间层的导
11、通连接，而没有穿透到顶层或底层的过孔。图73 电路板上各种过孔示意6丝印层 丝印层(SilkscreenTopBottom Overlay)是为了方便电路的安装和调试，或是公司标准化要求，在电路板的顶层或底层印刷上所需的代号、文字串、图标等，例如元件的外形轮廓、编号、生产厂家等信息。在设计印制电路板时，放置PCB元器件，则该元器件的编号与轮廓就自动的放置在丝印层上。读者在制作电路板时，一定要注意丝印层上元器件标注等的放置位置，要放在显眼的地方以便于安装和调试，且不能放在过孔或焊盘上。712印制电路板的设计流程 要想利用Protel DXP制作一块实际使用的电路板，首先要了解DXP的印制电路板的
12、大体设计流程。按照流程一步一步地往下做，每一步都保证其正确性，最后就能顺理成章地得到一块正确的印制电路板。 印制电路板的设计流程，大体可划分为以下几步，如图7-所示。1绘制电路原理图 电路原理图是设计电路板的基础，它是电路板设计的前期工作，主要在Protel DXP的原理图编辑器中完成，当然绘制完原理图后，必然对该项目工程进行编译，用以进行电气规则检测，以及生成网络表，检查元器件的封装 图7-4印制电路板的设计流程形式。这些都在前面章节做了详细的介绍。2规划电路板设计的印制电路板是一个实实在在的电路板，它除了具有电气特性外，还具有机械特性，因此在绘制印制电路板时，读者要对电路板有一个总体的规划
13、。具体是确定电路板的物理尺寸，采用几层板(单面板，双面板还是多面板)，大体设想好各元器件的摆放位置。 3设置各项参数 这一步工作非常重要，是绘制印制电路板必不可少的步骤。主要包括设置电路板的工作层面，以及设置PCB编辑系统的环境参数。 4载入网络表和元器件封装 前面已经讲过，网络表是电路原理图与PCB板之间的纽带，是电路板自动布线的灵魂，只有把网络表装入PCB文件中，才有可能完成电路板的自动布线。另外，由于PCB印制电路板对应着实际元器件，因此必须把各元器件的封装信息载入PCB中，才能进行PCB印制电路板上的元器件布局和布线。然而由于Protcl DXP集成度很高，不需要读者手动生成网络表并把
14、网络表和元器件封装信息载入PCB系统中，这些工作都由系统在后台完成，但是一旦出现错误，读者还是需要手工生成网络表来检查错误，所以建议读者在设计印制电路板时不要跳过这一步。 5元器件自动布局 对于板上的元器件较少，且不复杂的情况，可采用Protel DXP的自动布局器，为整个电路板上的元器件自动布局，但是，在实际工程中，绝大多数情况都要读者手工进行元器件布局，或用Protel DXP的自动布局器自动布局后，再进行手工调整。 6手工调整布局 如果对Protel DXP的自动布局结果不满意，可以进行手工调整。 7电路板自动布线 这是Protcl DXP软件最精彩的部分，Protel DXP的印制电路
15、板自动布线器采用人工智能技术，布线的布通率非常高，只要布线参数设置合理得当，自动布线的布通率几乎是100。 8手工调整布线 尽管Protel DXP的自动布线器功能十分强大，技术很先进，但是它不可能做到十全十美，总有一些布得不很合理的地方。另外，有的电路板有一些特殊的要求，这时自动布线量就无能为力了，那就必须由读者手工布线来完成设计。 9比较网络表以及DRC校验 对于由网络表装入的印制电路板设计文件，在进行手工调整时，会进行一些添加连线、拆线等操作，有可能会造成人为的错误。可以把由印制电路板生成的网络表文件与由原理一生成的网络表文件相比较，可以判断这两个网络表的差别，进而确定绘制的印制电路板是
16、否正确。 另外，为了确保PCB板完全符合设计者的要求，还要对布好线的印制电路板进行DRC校验(Design Rules Check，设计规则检查)。 10文件保存，打印输出 完成以上步骤后，要保存印制电路板文件，并打印输出，以备今后工作中使用。 11送加工厂制作 完成印制电路板的设计后，如果本公司没有加工能力，就要把该PCB印制电路板文件发给加工厂商制作。713印制电路板设计的基本原则 印制电路板上元器件的布局、走线的质量对电路板的抗干扰能力影响很大，所以在设计印制电路板时必须遵守一般的原则。 1元件布局 在进行元件布局时，应注意以下几点： 应按照关键元器件来布局，先布关键器件如单片机、DSP
17、、存储器、FPGA等，然 后按照地址线和数据线的走向布置其他元器件。 模拟电路通道应与数字电路分开布设，不能混乱地放置在一起。 高频元器件引脚上的铜箔导线应尽量短。 带强电的元器件与其他元器件的距离应尽量远，并布置在调试时手不易碰到的地 方。 重量大的元器件应该加支架固定。热敏元器件要考虑安装散热片。 电位器、可变电容等元器件应布置在便于调试的地方。 各元器件之间应尽量平行摆放，减小元器件之间的分布参数，且显得美观大方。 2布线 在进行布线时，应注意以下几点： 微处理器芯片的数据线和地址线尽量都平行布置。 输入、输出端导线应尽量避免平行布置，以免发生反馈耦合。 铜箔导线在条件许可的范围内，最好
18、取15 mil以上，最小不能小于lO mil，导线间： 的最小间距是由线间绝缘电阻和击穿电压决定的，一般不能小于12 mil。 铜箔导线拐弯时，一般取45。走向或圆弧形。特别是在高频电路下，不能取直角， 更不能取锐角，以防止高频信号在导线拐弯发生信号反射现象。 只要条件许可，应尽量加粗电源线，同时使电源线、地线与其他导线的走向一致， 这样有助于增强抗噪声能力。 如果电路板上既有数字电路，又有模拟电路，则应使数字地与模拟地分开，或在二 者之间串入一个无极性小电容，最后在电源模块使数字地和模拟地汇合。 在高频元器件周围尽量采用包地技术，用栅格状的铜箔网以起到屏蔽作用。 对于数字电路构成的印制电路板
19、，把接地电路布成环状往往能提高整个电路板的抗 干扰能力。 3去耦电容的配置 在安放去耦电容时，应注意以下几点： 在印制电路板的电源输入端跨接47F左右的电解电容，如果体积允许的话，电容 量大一些则更好。 原则上每个集成电路芯片的旁边都要放置一个01的无极性电容，如果电路板的 空隙太小而放置不下，可以每几个芯片旁边放置一个110的普通独石电容。 对于抗干扰能力弱、关断时电流变化大的元件和RAM、ROM等存储元件，应该在 电源线和地线之间直接接入去耦电容。 电容的引线不要太长，特别是高频旁路电容不能带引线。 4电路板材料的选择 印制电路板的板材一般是采用铂箔敷贴树脂胶合层板，这类板材的品种很多，其
20、纤维有纸质、棉质、石棉质和玻璃布质等，可用的树脂有酚醛树脂、密胺甲醛树脂、有机硅树脂和环氧树脂等。如果所用纤维材料的比例及胶合剂略有不同，则层压板的性能就会有很大的差别，特别是与高频印制电路板的介电常数和功率因素的关系极为密切。 一般来讲，各种规格的玻璃布层压板的工作温度、电性能(如电弧电阻、损耗因数 和绝缘电阻等)，要比纸胶板或布胶板的要高。 酚醛树脂胶板的耐潮湿性能较差，在长时间潮湿的条件下，其电性能会降低很多。 密胺甲醛树脂板的高频性能较差，耐潮性也不行，但这种电路板的电弧电阻、机械 强度的性能很不错，而且工作温度也高，因此常用来制作转换器或开关装置的电路 板。 环氧树脂浸渍的玻璃布层压
21、板是最为常用的电路板板材。由于环氧树脂和金属具有 极好的亲和力，因此铜箔的附着力强，板材的电弧电阻也高，介电常数和绝缘电阻 也比较理想，所以在一般情况下，都采用环氧树脂玻璃布层压板作为板材。 在频率要求很高的条件下，比如微波电路板，最好采用PTFE树脂(氟碳树脂)浸 渍的玻璃布层压板，这种材料的损耗因数相当的低，工作温度非常高，而且不怕任何溶剂，耐潮性也不错，但这种板材的价格非常昂贵，所以一般不予采用。 72 Protel DXP的PCB设计模块 本节将详细介绍Protel DXP的PCB文件的操作界面，初学者通过本节的学习可以基本掌握设计PCB的各种操作技巧。7.21 创建一个PCB文件 要
22、想把原理图编辑器中的电路信息(网络表与元器件封装)载入到PCB印制电路板设计系统，首先需要创建一个新的PCB文件。在Protel DXP中创建新的PCB文件的方法有两种：一是利用PCB文件生成向导，二是直接通过执行菜单命令创建PCB文件。 1利用PCB生成向导创建一个PCB文件 利用PCB生成向导创建一个PCB文件的步骤如下： (1)启动PCB文件生成向导。在Files文件面板中找到New from template列表(如果没有看到该列表可以单击安钮，收起另外一些列表)，如图7-5所示，在该列表中单击PCBBoard Wizard，系统会弹出图7-6所示的PCB生成向导欢迎画面。图7-5 F
23、iles文件面板 圈7-6 PCB生成向导欢迎画面 (2)单击Next按钮，进入下一步，弹出如图7-7所示的对话框，在该对话框中设置印制电路板上使用的尺寸单位。Imperial表示英制，单位为mil，Metric表示公制，单位为mm。再向读者强调一次，1 mil=00 254mm，此处选择英制Imperial。 (3)单击Next按钮，弹出如图7-8所示的对话框。读者可以在左边的列表框中选择一种印制电路模板，也可以选择Custom(自定义)选项，根据需要自定义电路板尺寸，此处选择Custom选项，自定义印制电路板。图7-7设置印制电路板的尺寸单位 图7-8设置印制电路板模板 (4)单击Next
24、按钮，会弹出如图7-9所示的对话框。可以在其中设置PCB板的各项参数，现介绍各项参数的具体意义。 图7-9设置印制电路板的各项参数Outline Shape印制电路板外形。包括Rectangular(矩形)、Circular(圆形)、Custom (自定义外形)3种，此处选择矩形。Board Size由上面外形决定的印制电路板外形尺寸。Width是电路板板宽，Height 是电路板板高。此处设定板宽Width=5000 rail，板高Height=4000 mil。Dimension layer尺寸标注层。单击右边的下箭头，可选择PCB文件中的尺寸标注层。此处选择Mechanical laye
25、r 1。Boundary Track Width设置边界线的宽度。此处采用系统默认值1Omil。Dimension Line Width设置电路板尺寸标注线的宽度，此处也采用系统默认值10 mil。Keep Out Distance From Board Edge设置印制电路板电气边界到物理边界的距离，此处设置为50 mil，也即电器边界与物理边界的距离为50 mil。Title Block and Scale复选框若选中该复选框，PCB文件中将显示标题栏与图纸比例。Legend String复选框若选中该复选框，则在文件中显示图例字符串。Dimension Lines复选框若选中该复选框，则
26、在文件中显示尺寸标注线。Comer Cutoff复选框该复选框只有在选择电路板外形为矩形时才有效，若选中该复选框，则可在电路板的四周截去矩形角(见图710)，此处不选中该复选框。Inner Cutoff复选框该复选框只有在选择电路板外形为矩形时才有效，若选中该复选框，则可在电路板内部挖掉一个小矩形(见图711)，在电路板布线时，该小矩形内是禁止布线的。图7-10设置Comer Cutoff对话框 图711 设置Inner Culoff对话框 (5)单击Next按钮，会弹出如图7-12所示的对话框。在其中设定Signal Layers的层数，以及Power Planes的层板。此处我们设计的是双
27、面板，有2个信号层，不存在内电层 (6)单击Next按钮，会弹出如图713所示的对话框。用来设置电路板上的过孔(Via)样式，Thruhole Vias only表示通孔，Blind and Buried Vias only表示盲孔和半盲孔。此处选择过孔样式为通孔。图7-12 设置印制电路板的板层 图7-13设置印制电路板的过孔类型 (7)单击Next按钮，会弹出如图714所示的对话框。在该对话框中设置所设计的电路板主要采用Surface-mounted Components(表面贴装的元器件)还是ThrouglI-holeComponents(传统双列直插式元器件)。此处设置电路板上主要采用
28、双列直插式封装元件。另外，在该对话框中，如果采用表面贴装的元器件，还可设置本电路板是双面都可以放置元器件还是仅有一面可以放置元器件。如果采用双列直插式封装元器件，还可设置本电路板上双列直插式元器件的焊盘之间可以通过几根铜膜导线，有3种选择：l根，2根，3根。此处选择两焊盘之间仅能通过l根铜膜导线。图7-14设置印制电路板的元器件类型 (8)单击Next按钮，会弹出如图715所示的对话框。在该对话框中可以设置如下参数： Minimum Track Size设置最小导线线宽，此处设置为12 mil。 Minimum Via Width设置过孔的最小直径，此处设置为50 mil。 Minimum V
29、ia HoleSize设置过孔的最小通孔孔径，此处设置为28 mil。 Minimum Clearance设置线间的最小安全间距，此处设置为12 mil。 图7-15设置导线和过孔属性 (9)单击Next按钮，会弹出如图716所示的对话框，表示PCB印制电路板文件参数设置完毕，单击Finish按钮，即可完成PCB文件生成向导的设置，同时，系统进入PCB印制电路板编辑系统，如图717所示。图7-16完成印制电路板的设置 图7-17进入PCB印制电路板的编辑系统 (10)利用PCB文件生成向导创建的PCB文件自动保存为PCBIPCBDOC，读者可执行菜单命令FileSave As，把新建的PCB文
30、件保存到指定的路径下，并更改为所需的文件名。此处改为cyPCBlPCBDOC。提示 在利用PCB文件向导创建PCB印制电路板文件的过程中，并不是一定要设置完所有的参数后，才能创建PCB文件，其实读者在第(3)步设置好电路板模板，或采用自定义方式后，就可以单击该对话框中的Finish按钮，退出PCB文件创建向导，同时创建一个参数不完整的PCB文件，并进入印制电路板PCB编辑系统其他的参数可以在PCB编辑器中利用菜单命令来编辑。 2执行菜单命令创建一个PCB文件 打开一个工程项目，执行菜单命令FileNewPCB，将直接进入印制电路板PCB编辑系统，同时创建了一个电路板参数没有设置的PCB文件。当
31、然电路板的所有参数均可在编辑器中用菜单命令设置。 小技巧请读者尽量使用PCB文件生成向,s-el建PCB文件，而不要采用新建命令因为利用PCB文件生成向导创建的PCB文件，其参数设置不会遗漏而且当设计的印制电路板是种通用型的标准电路板时，可以直接在其中选中所需的电路模板，这将大大节约开发时间。 722 PCB的工作层设置 要设计印制电路板，首先要了解PCB设计系统为读者提供的各种电路板工作层面，读者在某个项目设计中并不需要用到所有的电路板层。在设计印制电路板前，首先设置好需要用到的各个工作层面，只有根据自己的习惯定制好所需的工作层面，在实际设计时才能起到事半功倍的效果。 1电路板工作层面介绍 Protel DXP为读者提供了72层工作层面，主要有以下几种类型： (1)信号层(SignalLayers) ProtelDXP可以设计多层板，它为读者提供了32层信号层，包括To
