PCB電路設(shè)計(jì)(doc)
PCB電路設(shè)計(jì) 本章介紹印刷電路板 (PCB 板 ) 設(shè)計(jì)的一些基本概念，如電路板、導(dǎo)線、元件封裝、多層板等，并介紹印刷電路板的設(shè) 計(jì)方法和步驟。通過這一章的學(xué)習(xí)，使讀者能夠完整地掌握電路板設(shè)計(jì)的全部過程。 5.1 PCB 電路 板的基本概念 5.1.1 P CB 電路板的概念 　　在學(xué)習(xí) PCB 電路板設(shè)計(jì)之前，首先要了解一些基本的概念，對 PCB 電路板有一些了解。 一般所謂的 PCB 電路板有 Single Layer PCB （單面板）、 Double Layer PCB （雙面板）。 四層板、多層板等。 ● 單面板是一種單面敷銅，因此只能利用它敷了銅的一面設(shè)計(jì)電路導(dǎo)線和元件的焊接。 ● 雙面板是包括 Top （頂層）和 Bottom （底層）的雙面都敷有銅的電路板，雙面都可以布線焊接，中間為一層　　絕緣層，為 常用的一種電路板。 ● 如果在雙面板的頂層和底層之間加上別的層，即構(gòu)成了多層板，比如放置兩個(gè)電源板層 構(gòu)成的四層板，這就是　　多層板。 　　通常的 PCB 板，包括頂層、底層和中間層，層與層之間是絕緣層，用于隔離布線層。它的材料要求 耐熱性和絕緣性好。早期的電路板多使用電木為材料，而現(xiàn)在多使用玻璃纖維為主。 　　在 PCB 電路板布上銅膜導(dǎo)線后，還要在頂層和底層上印刷一層 Solder Mask （防焊層），它是一種特殊的化學(xué)物質(zhì)，通常為綠色。該層不粘焊錫，防止在焊接時(shí)相 鄰焊接點(diǎn)的多余焊錫短路。防焊層將銅膜導(dǎo)線覆蓋住，防銅膜過快在空氣中氧化，但是 在焊點(diǎn)處留出位置，并不覆蓋焊點(diǎn)。 對于雙面板或者多層板，防焊層分為頂面防焊層和底面防焊層兩種。 　　電路板制作最后階段，一般要在防焊層之上印上一些文字符號，比如元件名稱、元 件符號、元件管腳和版權(quán)等，方便以后的電路焊接和查錯(cuò)等。這一層為 Silkscreen Overlay （絲印層）。多層板的防焊層分 Top Overlay （頂面絲印層）和 Bottom Overlay （底面絲印層）。 5.1.2 多層板概念 　　般的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)用雙面板和四層板即可滿足設(shè)計(jì)需要，只是在較高級電路設(shè)計(jì)中 ，或者有特殊需要，比如對抗高頻干擾要求很高情況下才使用六層及六層以上的多層板 。多層板制作時(shí)是一層一層壓合的，所以層數(shù)越多，無論設(shè)計(jì)或制作過程都將更復(fù)雜， 設(shè)計(jì)時(shí)間與成本都將大大提高。 如果在 PCB 電路板的頂層和底層之間加上別的層，即構(gòu)成了多層板，比如放置兩個(gè)電源板層構(gòu)成多 層板。 　　多層板的 Mid-Layer （中間層）和 Internal Plane （內(nèi)層）是不相同的兩個(gè)概念，中間層是用于布線的中間板層，該層均布的是導(dǎo)線，而 內(nèi)層主要用于做電源層或者地線層，由大塊的銅膜所構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖 5 — 1 所示。 [pic] 圖 5 — 1 多層板剖面圖 　　在圖 5 — 1 中的多層板共有 6 層設(shè)計(jì)，最上面為 Top Layer （頂層）；最下為 Bottom Layer( 底層 ) ；中間 4 層中有兩層內(nèi)層，即 InternalPlane1 和 InternalPlane2, 用于電源層；兩層中間層，為 MidLayerl 和 MidLayer2 ，用于布導(dǎo)線。 5.1.3 過孔 過孔就是用于連接不同板層之間的導(dǎo)線。過孔內(nèi)側(cè)一般都由焊錫連通，用于元件的管腳 插入。 　　過孔分為 3 種：從頂層直接通到底層的過孔稱為 Thnchole Vias （穿透式過孔）；只從頂層通到某一層里層，并沒有穿透所有層，或者從里層穿透出來 的到底層的過孔稱為 Blind Vias （盲過孔）；只在內(nèi)部兩個(gè)里層之間相互連接，沒有穿透底層或頂層的過孔就稱為 Buried Vias （隱藏式過孔）。 [pic] 過孔的形狀一般為圓形。過孔有兩個(gè)尺寸，即 Hole Size （鉆孔直徑）和鉆孔加上焊盤后的總的 Diameter （過孔直徑），如圖 5 — 2 所示。 圖 5 — 2 過孔的形狀和尺寸 5.1.4 銅膜導(dǎo)線 　　電路板制作時(shí)用銅膜制成銅膜導(dǎo)線（ Track ），用于連接焊點(diǎn)和導(dǎo)線。銅膜導(dǎo)線是物理上實(shí)際相連的導(dǎo)線，有別于印刷板布線過程 中的預(yù)拉線（又稱為飛線）概念。預(yù)拉線只是表示兩點(diǎn)在電氣上的相連關(guān)系，但沒有實(shí) 際連接。 5.1.5 焊盤 　　焊盤用于將元件管腳焊接固定在印刷板上完成電氣連接。焊盤在印刷板制作時(shí)都預(yù) 先布上錫，并不被防焊層所覆蓋。 通常焊盤的形狀有以下三種，即圓形（ Round ）、矩形（ Rectangle ）和正八邊形（ Octagonal ） ，如圖 5 — 3 所示。 [pic] 圖 5 － 3 圓形、矩形和正八邊形焊盤 5.1.6 元件的封裝 　　元件的封裝是印刷電路設(shè)計(jì)中很重要的概念。元件的封裝就是實(shí)際元件焊接到印刷 電路板時(shí)的焊接位置與焊接形狀，包括了實(shí)際元件的外型尺寸，所占空間位置，各管腳 之間的間距等。 　　元件封裝是一個(gè)空間的概念，對于不同的元件可以有相同的封裝，同樣一種封裝可 以用于不同的元件。因此，在制作電路板時(shí)必須知道元件的名稱，同時(shí)也要知道該元件 的封裝形式。 1 ．元件封裝的分類 普通的元件封裝有針腳式封裝和表面粘著式封裝兩大類。 [pic][pic] 　　針腳式封裝的元件必須把相應(yīng)的針腳插入焊盤過孔中，再進(jìn)行焊接。因此所選用的 焊盤必須為穿透式過孔，設(shè)計(jì)時(shí)焊盤板層的屬性要設(shè)置成 Multi － Layer ，如圖 5 — 4 和圖 5 — 5 所示。 圖 5 — 4 針腳式封裝 圖 5 — 5 針腳式封裝元件焊盤屬性設(shè)置 [pic][pic] 　　SMT （表面粘著式封裝）。這種元件的管腳焊點(diǎn)不只用于表面板層，也可用于表層或者底層 ，焊點(diǎn)沒有穿孔。設(shè)計(jì)的焊盤屬性必須為單一層面，如圖 5 — 6 和圖 5 — 7 所示。 圖 5 — 6 表面粘著武元件的封裝 圖 5 — 7 表面粘著式封裝焊盤屬性設(shè)置 2 ．常見的幾種元件的封裝 常用的分立元件的封裝有二極管類、晶體管類、可變電阻類等。常用的集成電路的封裝 有 DIP — XX 等。 Protel DXP 將常用的封裝集成在 Miscellaneous Devices PCB ． PcbLib 集成庫中。 ◆ 二極管類 常用的二極管類元件的封裝如圖 5 — 8 所示。 ◆ 電阻類 [pic][pic] 電阻類元件常用封裝為 AXIAL — XX ，為軸對稱式元件封裝。如圖 5 — 9 所示就是一類電阻封裝形式。 圖 5 — 8 二極管類元件封裝 圖 5 — 9 電阻類元件封裝 ◆ 晶體管類 常見的晶體管的封裝如圖 5 — 10 所示， Miscellaneous Devices PCB ． PcbLib 集成庫中提供的有 BCY — W3 ／ H.7 等。 ◆ 集成電路類 集成電路常見的封裝是雙列直插式封裝，如圖 5 — 11 所示為 DIP — 14 的封裝類型。 [pic][pic] 圖 5 － 10 晶體管的封裝 圖 5 — 11 DIP － 14 封裝 ◆ 電容類 電容類分為極性電容和無極性電容兩種不同的封裝，如圖 5 — 12 和圖 5 一 13 所示。 [pic][pic] 圖 5-- — 12 極性電容封裝 圖 5 — 13 無極性電容封裝 Miscellaneous Devices PCB ． PcbLib 集成庫中提供的極性電容封裝有 RB7. 6 — 15 等，提供的無極性電容的封裝有 RAD — 0.1 等。 5.2 PCB 電路板的設(shè)計(jì)流程 PCB 電路板設(shè)計(jì)的流程如圖 5 — 14 所示。 [pic] 圖 5 — 14 PCB 板設(shè)計(jì)流程圖 1 ．設(shè)計(jì)原理圖 　　這是設(shè)計(jì) PCB 電路的第一步，就是利用原理圖設(shè)計(jì)工具先繪制好原理圖文件。如果在電路圖很簡單的 情況下，也可以跳過這一步直接進(jìn)人 PCB 電路設(shè)計(jì)步驟，進(jìn)行手工布線或自動(dòng)布線。 2 ．定義元件封裝 　　原理圖設(shè)計(jì)完成后，元件的封裝有可能被遺漏或有錯(cuò)誤。正確加入網(wǎng)表后，系統(tǒng)會(huì) 自動(dòng)地為大多數(shù)元件提供封裝。但是對于用戶自己設(shè)計(jì)的元件或者是某些特殊元件必須 由用戶自己定義或修改元件的封裝。 3 ． PCB 圖紙的基本設(shè)置 　　這一步用于 PCB 圖紙進(jìn)行各種設(shè)計(jì)，主要有：設(shè)定 PCB 電路板的結(jié)構(gòu)及尺寸，板層數(shù)目，通孔的類型，網(wǎng)格的大小等，既可以用系統(tǒng)提供的 PCB 設(shè)計(jì)模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以手動(dòng)設(shè)計(jì) PCB 板。 4 ．生成網(wǎng)表和加載網(wǎng)表 網(wǎng)表是電路原理圖和印刷電路板設(shè)計(jì)的接口，只有將網(wǎng)表引人 PCB 系統(tǒng)后，才能進(jìn)行電路板的自動(dòng)布線。 　　在設(shè)計(jì)好的 PCB 板上生成網(wǎng)表和加載網(wǎng)表，必須保證產(chǎn)生的網(wǎng)表已沒有任何錯(cuò)誤，其所有元件能夠很好 的加載到 PCB 板中。加載網(wǎng)表后系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部的網(wǎng)表，形成飛線。 　　元件布局是由電路原理圖根據(jù)網(wǎng)表轉(zhuǎn)換成的 PCB 圖，一般元件布局都不很規(guī)則，甚至有的相互重疊，因此必須將元件進(jìn)行重新布局。 　　元件布局的合理性將影響到布線的質(zhì)量。在進(jìn)行單面板設(shè)計(jì)時(shí)，如果元件布局不合 理將無法完成布線操作。在進(jìn)行對于雙面板等設(shè)計(jì)時(shí)，如果元件布局不合理，布線時(shí)。 將會(huì)放置很多過孔，使電路板走線變得復(fù)雜。 5 ．布線規(guī)則設(shè)置 　　飛線設(shè)置好后，在實(shí)際布線之前，要進(jìn)行布線規(guī)則的設(shè)置，這是 PCB 板設(shè)計(jì)所必須的一步。在這里用戶要定義布線的各種規(guī)則，比如安全距離、導(dǎo)線寬度等 。 6 ．自動(dòng)布線 　　Protel DXP 提供了強(qiáng)大的自動(dòng)布線功能，在設(shè)置好布線規(guī)則之后，可以用系統(tǒng)提供的自動(dòng)布線功能 進(jìn)行自動(dòng)布線。只要設(shè)置的布線規(guī)則正確、元件布局合理，一般都可以成功完成自動(dòng)布 線。 7 ．手動(dòng)布線 　　在自動(dòng)布線結(jié)束后，有可能因?yàn)樵季只騽e的原因，自動(dòng)布線無法完全解決問題 或產(chǎn)生布線沖突時(shí)，即需要進(jìn)行手動(dòng)布線加以設(shè)置或調(diào)整。如果自動(dòng)布線完全成功，則 可以不必手動(dòng)布線。 在元件很少且布線簡單的情況下，也可以直接進(jìn)行手動(dòng)布線，當(dāng)然這需要一定的熟練程 度和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 8 ．生成報(bào)表文件 　　印刷電路板布線完成之后，可以生成相應(yīng)的各類報(bào)表文件，比如元件清單、電路板 信息報(bào)表等。這些報(bào)表可以幫助用戶更好的了解所設(shè)計(jì)的印刷板和管理所使用的元件。 9 ．文件打印輸出 　　生成了各類文件后，可以將各類文件打印輸出保存，包括 PCB 文件和其他報(bào)表文件均可打印，以便永久存檔。 5.3 建立 SCH 文檔 　　前面章節(jié)已經(jīng)著重介紹了原理圖的創(chuàng)建，這里不再詳細(xì)介紹創(chuàng)建方法，具體設(shè)計(jì)參 見第 2 、 3 、 4 章相關(guān)內(nèi)容。 1 ．創(chuàng)建原理圖 　　在這里創(chuàng)建一份簡單的時(shí)鐘發(fā)生器原理圖，并以此為例，在本章后面章節(jié)中介紹如 何設(shè)計(jì)相應(yīng)的 PCB 電路板。設(shè)計(jì)的主要步驟如下： （ 1 ）從 Protel DXP 的主菜單下執(zhí)行命令 File/New ／ PCB Project ，建立一份 PCB 設(shè)計(jì)項(xiàng)目，命名為 ClocK ． PRJPCB 。 （ 2 ）在該設(shè)計(jì)項(xiàng)目下新建一份 SCH 原理圖，相應(yīng)的菜單執(zhí)行命令為 File/New/Schematic, 將其命名為 CLOCK ． SCHDOC 。 2 ．定義元件封裝 [pic] 在設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，加人集成庫 Miscellaneous Devices ． IntLib 。從中選擇元件進(jìn)行放置，并放置導(dǎo)線，完成它們之間的連接。設(shè)計(jì)完成后的效果如圖 5 — 15 所示。 圖 5 — 15 時(shí)鐘發(fā)生器原理圖 時(shí)鐘發(fā)生器原理圖中使用到的各元件封裝如表 5 — 1 所示。 Designator 　　Description　　　Footprint 　　　　Comment C1 　　　　　　　Capacitor 　　　c1005-0402 　　　10n C2 　　　　　　　Capacitor 　　　　RAD-0.3 　　　　60p C3 　　　　　　　Capacitor 　　　　c1005-0402 　　　1n C4 　　　　　　　Capacitor 　　　　c1005-0402 　　　100p C5 　　　　　　　Capacitor 　　　　c1005-0402 　　　100p Q1 　　　　NPN Bipolar Transistor 　BCY-W3 　　　　QNPN Q2 　　　　NPN Bipolar Transistor 　BCY-W3 　　　　QNPN Q3 　　　　NPN Bipolar Transistor 　BCY-W3 　　　　QNPN Q4 　　　　NPN Bipolar Transistor 　BCY-W3 　　　　QNPN Q5 　　　　PNP Bipolar Transistor 　BCY-W3 　　　　QPNP Designator 　　　Description 　　　Footprint 　　　Comment R1 　　　　　　Resistor 　　　　　　AXIAL-0.4 　　　1k R2 　　　　　　Resistor 　　　　　　AXIAL-0.4 　　　47k R3 　　　　　　Resistor 　　　　　　AXIAL-0.4 　　　56k R4 　　　　　　Resistor 　　　　　　AXIAL-0.4 　　　33k R5 　　　　　　Resistor 　　　　　　AXIAL-0.4 　　　1.2k R6 　　　　　　Resistor 　　　　　　AXIAL-0.4 　　　17k R7 　　　　　　Resistor 　　　　　　AXIAL-0.4 　　　22k X1 　　　　Crystal Oscillator 　　　BCY-W2/D3.1 　　14.31818MHz 所有元件放置和連線完成后保存文檔，進(jìn)人下一步設(shè)計(jì)。 5 ． 4 新建 PCB 設(shè)計(jì)文檔 　　Protel DXP 是以一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目文檔來管理 PCB 的設(shè)計(jì)，在這個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，包含了單個(gè)的設(shè)計(jì)文檔和它們之間的有關(guān)設(shè)置，便于文件 的管理和文件的同步。 　　一般情況下 PCB 文檔總是和原理圖設(shè)計(jì)文檔放在同一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目文檔中。如果此時(shí)沒有 PCB 設(shè)計(jì)項(xiàng)目文檔，則可以在文件工作面板中選擇 Blank Project （ PCB ）選項(xiàng)，新建一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目文檔。 在已經(jīng)有設(shè)計(jì)項(xiàng)目文檔的情況下，則可以進(jìn)人下一步，開始設(shè)計(jì) PCB 文檔。 　　在進(jìn)行印刷板電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須建立一個(gè) PCB 文檔。通常建立 PCB 文檔的方法有兩種，一種是手動(dòng)創(chuàng)建空白 PCB 圖紙，再指定 PCB 文檔的屬性，規(guī)劃大小；另一種是采用 PCB 模板創(chuàng)建 PCB 文檔。 1 ．手動(dòng)創(chuàng)建 PCB 文檔 這種方法是先建立一個(gè)空白...
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