PCB(印刷電路板)設計, 是以"電路原理圖"為根據實現電路設計者所需要的功能。
"PCB設計"主要指"版圖設計", 需要考慮:
- "外部Connections(連線)"的佈局,
- "內部Components(電子元器件)的最佳化佈局,
- "金屬連線" 和 "Via通孔" 的最佳化佈局,
- EM(電磁)保護,
- 熱耗散,
- 等各種因素.
優秀的“PCB版圖設計”可以:
- 節約生產成本，
- 達到良好的電路效能和散熱效能，
簡單的版圖設計, 可以手工實現.
複雜的版圖設計, 需要藉助CAD(計算機輔助設計)實現.
PCB 設計流程及基本使用
下圖: "實現的" PCB設計流程
繪製PCB的流程主要包含:
- 匯入原理圖設計到PCB設計工具
- 設定PCB尺寸
- PCB佈局
- PCB佈線
- PCB驗證
- PCB工程檔案輸出
PCB 層標籤(主介面底部有"層控制標籤"條)
- 一個PCB有“不同的層”構成，包括“銅導電、絕緣、保護遮蔽、文字和影像絲印層 等.
- 開啟 "PCB設計檔案(*.PcbDoc, File->New->PCB)", 進入PCB編輯器時，
此時AD軟體主介面的底部為"層控制標籤"條, 不同的"層"控制標籤, 使用不同的顏色標識.
以便在 "不同的層" 進行 "繪圖操作"。
PCB佈局設計
PCB設計流程，首先確定"電路板"的"尺寸與形狀"，然後對電路的Components元器件進行佈局.
本節介紹電路板的"尺寸設定"和"佈局原則及設定".
PCB 形狀和尺寸設定
開始PCB設計前, 必須確認PCB的形狀和尺寸。
一般來說，PCB的形狀和尺寸由設計要求給出；
沒給出時，由PCB設計者通盤考慮, 確定PCB的形狀和尺寸。
例如, 以一個長方形的PCB設計為例:
其尺寸的長寬比例為:120mm:90mmPCB形狀和尺寸。
設定的步驟主要包括:
-
AD軟體主介面選單，選擇“File->New->Project”,
建立一個名為PCB_Project1.PrjPCB的新專案，
併為新專案新增名稱為 PCB1.PCBDoc的檔案。 -
AD軟體主介面“右下角”，選擇“Panels->View Configuration”, 開啟檢視配置介面.
- 將 "mechanical 1" 的名稱改為 "PCB boundary".
-
AD軟體主介面選單，選擇“Edit->Origin->Set”, 設定:
- 圖紙背景為Black(黑色)
- 左下角為Origin(原點)
- 並透過 "快捷鍵Q" 設定 "繪圖單位" 為 mm(毫米).
-
將“繪圖示籤”切換到“PCB boundary”。
在AD軟體主介面選單下, 選擇“Place ->Rectangle”，- 在 Origin(原點)處放置“矩形邊框”，尺寸設定為:
Width:120mm, Height: 90mm，作為PCB Boundary(PCB外部邊界)。
- 在 Origin(原點)處放置“矩形邊框”，尺寸設定為:
-
選取"4."步在Origin(原點)處放置的“矩形邊框”，
在AD軟體主介面選單, 選擇:
“Design->Board Shape->Define Board Shape From Selected Objects”,
可設定當前選取的“矩形邊框”為PCB Board Shape(PCB板形狀). -
在AD軟體主介面選單, 選擇:
“Design->Board Shape->Create Primitives From Board Shape”,
在“Line/Arc Primitives From Board Shape[mm]”對話方塊:- 設定 Layer 為 Keep-Out Layer
- 單擊 OK 按鈕退出
將生成用於佈局和佈線的“Keep-Out Layer(禁止佈線層)”邊界。
PCB佈局規則的設定
PCB佈局前, 設定一些佈局規則，以保證正確實現PCB佈局.
設定PCB佈局規則的步驟包括:
- 透過快捷鍵“Ctrl+G”進入“Grid Editor(柵格編輯器)”, 設定如下:
- Step X: 0.1mm
- Step Y: 0.1mm
- Multiplier: 5x Grid Step
- 在AD軟體主介面選單, 選擇“Designer->Rules”，開啟:
“PCB Rules And Constrains Editor(PCB規則和約束編輯器)”,
在該對話方塊，設定如下:- 展開“Placement ->Component Clearance”，設定:
- Minimum Vertical Clearance: 3mil
- Minimum Horizontal Clearance: 3mil
- 展開“Permitted Layers”，
- 新增一個名稱為“PermittedLayers”的Rule(規則),
- 在新增的 "PermittedLayers" Rule(規則),
允許的 "Layer" 為 "Top Layer" 和 "Bottom Layer"
- 展開“Placement ->Component Clearance”，設定:
PCB佈局原則
在PCB佈局時, 要兼顧“美觀”和“訊號完整性”規則。
下面給出一些PCB佈局的建議:
元器件佈局基本規則
- 通常，"所有元器件"都應佈置在印刷電路板的"同一面"上。
只有在Top Layer的元器件過密時，才能將一些
"高度有限並且發熱量小"的器件, 如貼片電阻/電容/IC 放在 Bottom Layer. - 佈線原則 "先大後小、先難後易", 即先佈局 "重要的單元電路" 與 "核心元件"
- 整個"連線線"儘可能短, 關鍵"訊號線"最短。
- 高電壓大電流訊號 與 低電壓小電流訊號 完全分開
- 模擬訊號 與 數字訊號 分開
- 高頻訊號 與 低頻訊號 分開
- 高頻元器件的隔離要充分.
- 佈局上應參考“原理框圖”, 根據單板的“主訊號流向”規律安排 "主要元器件"。
- 元器件的"佈局"應便於"訊號流通"，使訊號"儘可能保持一致的方向"。
多數情況下, "訊號的流向" 安排為 "由左到右" 或 "由上到下"。
與 "輸入、輸出端" 直連的"元器件", 應靠近 "輸入、輸出" 接外掛或聯結器放置. - 在保證 "電氣效能" 的前提下:
- 元器件應放置在 "柵格" 上, 且相互 "平行或垂直" 排列, 才整齊、美觀。
- 一般情況, 不允許"元器件重疊"
- 元器件排列要緊湊
- Input 和 Output 元器件儘量遠離
- "元器件"或"導線"之間, 可能存在 "高電位差"，
如果存在, 則應,"加大",它們的距離, 以免因放電、擊穿引起意外短路。 - 帶高電壓的元器件, 應儘量佈置在除錯時“人體不易觸及的地方”。
元器件排列規則
- 板邊緣的元器件離板邊緣至少有“兩個板厚”的距離，
元器件在整個板面上應分佈均勻、疏密一致。 - 同型別“插裝元器件”在X或Y方向上, 應朝一個方向放置。
同一型別的 "有極性分立元器件" 要力爭在X和Y方向上同極向, 便於生產和檢驗。 - 對於 "非傳輸邊(流水線)" 大於300mm 的PCB,
"較重的器件" 儘量不要佈局在PCB的中間，
以減小由 "插裝器件的重量" 在 "焊接過程" 對 "PCB變形" 的影響.
以及插裝過程, 對PCB板上 "已經貼放" 的元器件 的影響.
為“方便插裝”，推薦將“元器件”佈置在“靠近插裝操作”側的位置。 - 通孔迴流焊“元器件”本體間距大於10mm，元器件的 "焊盤邊緣"要求:
與 "傳送邊"的距離不小於10mm, 與,"非傳送邊" 距離不小於5mm. - 元器件的佈局要滿足“手工焊接”和“維修”的“操作空間”。
- 需要安裝“較重的元器件”時，應考慮安裝的“位置和強度”，
安裝應靠近PCB受力支承點。使PCB板的 "翹曲度" 最小，
還應計算引腳的“單位面積”所承受的力, 當該值不小於0.22N/m㎡時:
必須對該模組採取 "固定措施", 不能僅靠引腳的焊接來固定。 - 對於有結構尺寸要求的“單板”，其元器件允許的最大高度應為:
“結構允許尺寸”－“印製板厚度”－4.5mm - “超高的”元器件應採用“臥式安裝” 。
防止電磁干擾
抑制熱干擾
可調節元器件的佈局
PCB佈線設計
"佈線" 是有 "連線關係" 的兩個 "網路節點" 之間 "生成物理連線通路" 的過程.
AD軟體包含一個強大的 "Interactive Routing Engine(互動佈線引擎)"。
用於幫助設計者高效率的對PCB進行佈線操作，有三種互動式佈線:
- Interactive routing(互動佈線)
- Interactive Differential Pair Routing(互動差分對佈線)
- Interactive Multi Routing(互動多線佈線)
互動佈線 線寬和過孔大小 設定
但選擇一種互動佈線方式後，開始手工佈線，此時首先考慮兩個問題:
- 在佈線開始時 以及 在佈線的過程, 需要根據“設計要求”確定佈線的“線寬”.
- 在不同層之間走線時, 要用Via(過孔)連線, 因此也要根據"要求"事先確定過孔尺寸。
- 在狀態列會顯示當前“過孔”或“線寬”的設定。
- 在“佈線的過程”根據需要調整 “Track Width”和“Via Size”:
在“佈線的過程”按“Shift+W”組合鍵，可以更改“Track Width(佈線寬度)”。
在“佈線的過程”按“Shift+V”組合鍵，可以更改“Via Size(過孔尺寸)”
設定 "佈線線寬" 和 "過孔大小" 的步驟主要包括:
- 在AD軟體主介面選單, 選擇“Tools->Preference”，開啟"Preference"對話方塊,
在該對話方塊 "左側" 找到並展開 "PCB Editor -> Interactive Routing",
在 "右側" 視窗就顯示 "Interactive Routing Width(互動佈線寬度)”皮膚，
該皮膚上提供:-
Track Width Mode(佈線寬度模式)
-
Via Size Mode(過孔大小模式)
其“右側”的“下拉框”提供如下選項: -
User Choice, 選該選項, 則在佈線和放置過孔時,
有可選的"線路寬度"及"過孔尺寸"列表, 並且由使用者選擇合適選項.
單擊下方 "Favorite Interactive Routing Widths"按鈕，
編輯或者新增 設定時會用到的“佈線寬度”。 -
Rule Minimum, 選該選項, 則在佈線時使用,
由“設計規則”推匯出 "最小" 的 佈線寬度"和"過孔尺寸". -
Rule Preferred, 選該選項, 則在佈線時使用,
由“設計規則”推匯出"期望使用" 的"佈線寬度"和"過孔尺寸". -
Rule Maximum, 選該選項, 則在佈線時使用,
由“設計規則”推匯出 "最大" 的,"佈線寬度"和"過孔尺寸".- 例如在設計時, 使用16mil/8mil 和 10mil/4mil 的過孔尺寸:
註釋, 16mil是孔的外徑，8mil是鑽孔的直徑. - 例如在設計時, 常使用 4mil 作為"佈線寬度".
- 在佈線的過程, 透過按 3鍵(對佈線寬度) 或 4鍵(對過孔尺寸),
可以在“修改佈線寬度和過孔尺寸”的“模式”之間進行切換.
在狀態列顯示了當前過孔或線框的設定.
- 例如在設計時, 使用16mil/8mil 和 10mil/4mil 的過孔尺寸:
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通常, 在PCB設計過程, 會頻繁使用 "所期望使用"的 "佈線寬度" 和 "過孔尺寸”。
所以該節設計對於 "佈線寬度和過孔大小" 的設定均使用 Rule Preferred選項.
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