PCB画板体会

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我是在2006年的12月25号第一次接触到protel99se，这种接触当然是指利用protel99se来做实际的产品，关于PCB设计软件，我当时在研究所的时候还接受过目前最先进的PCB设计软件cadence15.2的培训，可是并没有用来做实际的产品设计，所以，对该软件的理解也很有限。到现在位置，也一年多了，介于自身的原因，感觉对PCB设计的领悟还不够深刻，还好，从做EPS的ECU这部分的设计以来，得到刘老师的悉心指点，所以，终于有了那么一点点体会！

一．布局和布线是PCB设计中的两个最重要的内容

所谓布局就是把电路图上所有的元器件都合理地安排到有限面积的PCB上。最关键的问题是：开关、按钮、旋钮等操作件，以及结构件（以下简称“特殊元件”）等，必须被安排在指定的位置上；其他元器件的位置安排，必须同时兼顾到布线的布通率和电气性能的最优化，以及今后的生产工艺和造价等多方面因素。这种“兼顾”往往是对硬件设计师水平和经验的挑战。
布线就是在布局之后，通过设计铜箔的走线图，按照原理图连通所有的走线。显然，布局的合理程度直接影响布线的成功率，往往在布线过程中还需要对布局作适当的调整。布线设计可以采用双层走线和单层走线，对于极其复杂的设计也可以考虑采用多层布线方案，但为了降低产品的造价，一般应尽量采用单层布线方案。结合自己做过双面板和四层板的设计。

二、ＰＣＢ设计的一般原则

1.ＰＣＢ尺寸大小和形状的确定
??首先根据产品的机械结构确定。当空间位置较富余时，应尽量选择小面积的ＰＣＢ。因为面积太大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加，但还要充分考虑到元器件的散热和邻近走线易受干扰等因素。
??就目前我们这个项目来说，我对机械设计对PCB设计的影响的体会是相当深的，
不一般吧，这三块板子，那块是规规矩矩的，这都是由于我们产品自身的原因导致机械结构的特殊，而机械结构的特殊，就对电路板本身的外形结构进行的限制和规定。电路板之间的信号连接也有了相应的特性要求。但这些都是不能避免的，因为产品为市场所要求，市场的变化多端的，所以产品也是变化多端的，设计为产品而服务。
??2.布局
??特殊元件的布局原则
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??①尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。?
??②某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。??
??③重量超过１５ｇ的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。
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??④对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。
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??⑤应留出PCB定位孔及固定支架所占用的位置。
?以上各条都是需要做过对应的相关设计采用较深的体会，第二条我的体会最浅，因为没有做过这种元件和导线之间有较高电压差的这种PCB。其他几条都还是有所体会的，主要就是一个原则：做出来的板子要和它周围的结构兼容，要和放在它上面的元件兼容，要满足一些基本的电气要求。
??• 普通元器件的布局原则
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??①按照电路的流程安排各个电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的流向。
??这一条我体会很深，第一次做板子的时候，面对几百个花花绿绿的元件，完全不知道该这么去把它们组织都一起去，当时就奇怪凭什么这个元件要这样放，那个元件要那样放。就是因为心里没有这条原则，原来自己布局出来的板子，在利用自动布线时，布通率是很低的，后来，做多了，就慢慢的体会到了这一入门级的基本原则。
在首先满足机械结构的前提下，在给定的平面空间里，布局的基本原则就是按照电路的流程来安排各个电路单元的位置。
其实这一条解释了，如何对各个主要元件进行布局。
??②以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在ＰＣＢ上．尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
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这是在满足第一原则的前提下，尽一步的更细的解释了如何对电阻电容这些分离元件进行正确的布局。
??③在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观．而且装焊容易．易于批量生产。
??我做过的高频电路最大的为270MHz，但是，由于当时的种种原因，导致了对这种理解不是很深刻，当时也是在有经验的人的指导下完成了，又因为只做过一种这样的高频板，所以对如何通过考虑元件的分布参数来布局不能理解。目前，我们异步电机ECU部分的信号最高频率为控制电机用的PWM信号，约为30KHz左右。（晶振为8MHz的晶振，都是在布局过程中，晶振和8346的距离很近，几乎直接输出到8346，而且只有这一个地方，所以可以不用考虑。）所以几乎完成可以不用考虑元件的高频特性。
??④位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于２ｍｍ。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为３：２成４：３。电路板面尺寸大于２００ｘ１５０ｍｍ时．应考虑电路板所受的机械强度。
??这一条通过最近的工作，我还是有较为深刻的体会的，元器件离电路板边缘一般不小于２ｍｍ，这主要是考虑了在对PCB装配进行外协大规模加工的时候，留给贴片机器的夹持距离。
??3．布线
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??①相同信号的电路模块输入端与输出端的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。
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??②印制铜铂导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为 ０．０５ｍｍ，导线宽度为１．５ｍｍ时，通过２Ａ的电流，温升不会高于３℃，可满足一般的设计要求，其他情况下的铜铂宽度选择可依次类推。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选０．０２－０．３ｍｍ导线宽度就可以了。当然，只要允许，还是尽可能用宽线．尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小至０．５ｍｍ。
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??③由于直角或锐角在高频电路中会影响电气性能，因此印制铜铂导线的拐弯处一般取圆弧形。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则．长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状．这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。
其实原来我一直都没有想过为什么在PCB设计完成后，要对PCB进行敷铜，只是人家有经验的同事这样做，我自己也这样做，后来有了一点认识，以为敷铜就是用来连接各个地网络节点。在做我们这个项目的时候，刘老师要求在敷铜前，将所有的地网络都连接都一起，这才让我认识到：敷铜并不是仅仅把各个地网络节点连接到一起这么简单。查了一下资料，敷铜大概有以下几个理由：1. 起屏蔽作用。2. PCB工艺要求。3. 可以保证信号完整性，给高频数字信号一个完整的回流路径。4.散热。

三．做四层板时，如何分割内电层

   在protel99中，内电层采用反转显示的方法显示电源层上的图件。放置在内部电源层上的导线及填充等物件在实际生产出来的电路板上是没有铜箔的，而PCB电路板中没有填充的区域在实际的电路板上却是实心的铜箔。
  如果需要多个电源网络共享一个内部电源层时，就需要对内部电源层进行分割，但是在分割内部电源层之前，用户必须对具有电源网络的焊盘和过孔进行重新布局，尽量将具有同一个电源网络的焊盘和过孔放置到一个相对集中的区域。
上面的两段只是提了在进行内电层分割时的大原则和首要原则，但是，在实践中，分割内电层并不是如此的简单，我们还必须理解下面这个原则：
即：在进行内电层分割时，隔离带不要跨接在内电层连接焊盘上。
上图的这个分割方式是没有问题的，隔离带是不能跨接在内电层连接焊盘上，但是可以跨接在连接焊盘上。

一、电路版设计的先期工作
1、利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。当然，有些特殊情况下，如电路版比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。
2、手工更改网络表 将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上，没任何物理连接的可定义到地或保护地等。将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和PCB封装库中的一致，特别是二、三极管等。
二、画出自己定义的非标准器件的封装库
建议将自己所画的器件都放入一个自己建立的PCB 库专用设计文件。

三、设置PCB设计环境和绘制印刷电路的版框含中间的镂空等
1、进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数等等。大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。
2、规划电路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。对于3mm 的螺丝可用6.5~8mm的外径和3.2~3.5mm 内径的焊盘对于标准板可从其它板或PCB izard 中调入。
注意：在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成Keep Out层，即禁止布线层。

四、打开所有要用到的PCB 库文件后，调入网络表文件和修改零件封装
这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路版的布线。
在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。
当然，可以直接在PCB内人工生成网络表，并且指定零件封装。

五、布置零件封装的位置，也称零件布局
Protel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行"Tools"下面的"Auto Place",用这个命令，你需要有足够的耐心。布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。Protel99在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。
提示：在自动选择时，使用Shift+X或Y和Ctrl+X或Y可展开和缩紧选定组件的X、Y方向。
注意：零件布局，应当从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件，并锁定这些器件，然后是大的占位置的器件和电路的核心元件，再是外围的小元件。

六、根据情况再作适当调整然后将全部器件锁定
假如板上空间允许则可在板上放上一些类似于实验板的布线区。对于大板子，应在中间多加固定螺丝孔。板上有重的器件或较大的接插件等受力器件边上也应加固定螺丝孔，有需要的话可在适当位置放上一些测试用焊盘，最好在原理图中就加上。将过小的焊盘过孔改大，将所有固定螺丝孔焊盘的网络定义到地或保护地等。
放好后用VIEW3D 功能察看一下实际效果，存盘。

七、布线规则设置
布线规则是设置布线的各个规范（象使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓朴结构等部分规则，可通过Design-Rules 的Menu 处从其它板导出后，再导入这块板）这个步骤不必每次都要设置，按个人的习惯，设定一次就可以。
选Design-Rules 一般需要重新设置以下几点:
1、安全间距
它规定了板上不同网络的走线焊盘过孔等之间必须保持的距离。一般板子可设为0.254mm，较空的板子可设为0.3mm，较密的贴片板子可设为0.2-0.22mm，极少数印板加工厂家的生产能力在0.1-0.15mm，假如能征得他们同意你就能设成此值。0.1mm 以下是绝对禁止的。
2、走线层面和方向（Routing标签的RoutingLayers）
此处可设置使用的走线层和每层的主要走线方向。请注意贴片的单面板只用顶层，直插型的单面板只用底层，但是多层板的电源层不是在这里设置的（可以在Design-Layer Stack Manager中，点顶层或底层后，用Add Plane 添加，用鼠标左键双击后设置，点中本层后用Delete 删除），机械层也不是在这里设置的（可以在Design-Mechanical Layer 中选择所要用到的机械层，并选择是否可视和是否同时在单层显示模式下显示）。
机械层1　一般用于画板子的边框；
　　 机械层3　一般用于画板子上的挡条等机械结构件；
　　 机械层4　一般用于画标尺和注释等，具体可自己用PCB Wizard 中导出一个PCAT结构的板子看一下
3、过孔形状（Routing标签的RoutingVia Style）
它规定了手工和自动布线时自动产生的过孔的内、外径，均分为最小、最大和首选值，其中首选值是最重要的，下同。
4、走线线宽
它规定了手工和自动布线时走线的宽度。整个板范围的首选项一般取0.2-0.6mm，另添加一些网络或网络组（Net Class）的线宽设置，如地线、+5 伏电源线、交流电源输入线、功率输出线和电源组等。网络组可以事先在Design-Netlist Manager中定义好，地线一般可选1mm 宽度，各种电源线一般可选0.5-1mm 宽度，印板上线宽和电流的关系大约是每毫米线宽允许通过1安培的电流，具体可参看有关资料。当线径首选值太大使得SMD 焊盘在自动布线无法走通时，它会在进入到SMD 焊盘处自动缩小成最小宽度和焊盘的宽度之间的一段走线，其中Board 为对整个板的线宽约束，它的优先级最低，即布线时首先满足网络和网络组等的线宽约束条件。
5、敷铜连接形状的设置（Manufacturing标签的PolygonConnect Style）
建议用Relief Connect 方式导线宽度Conductor Width 取0.3-0.5mm 4 根导线45或90 度。
其余各项一般可用它原先的缺省值，而象布线的拓朴结构、电源层的间距和连接形状匹配的网络长度等项可根据需要设置。
选Tools-Preferences，其中选项栏的InteractiveRouting 处选Push Obstacle （遇到不同网络的走线时推挤其它的走线，Ignore Obstacle为穿过，Avoid Obstacle 为拦断）模式并选中Automatically Remove （自动删除多余的走线）。Defaults 栏的Track 和Via 等也可改一下，一般不必去动它们。
在不希望有走线的区域内放置FILL 填充层，如散热器和卧放的两脚晶振下方所在布线层，要上锡的在Top 或BottomSolder 相应处放FILL。
布线规则设置也是印刷电路版设计的关键之一，需要丰富的实践经验。