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第五章 印刷电路板（PCB）设计,5.1印制电路板的基础知识及设计流程,印制电路板英文简称为PCB（Printed Circle Board）如图5-2所示。印制电路板的结构原理为：在塑料板上印制导电铜箔，用铜箔取代导线，只要将各种元件安装在印制电路板上，铜箔就可以将它们连接起来组成一个电路。,图5-2 PCB板,1印制电路板的种类,根据层数分类，印制电路板可分为单面板、双面板和多层板。（l）单面板单面印制电路板只有一面有导电铜箔，另一面没有。在单面板成本低，但因为只有一面有导电铜箔，不适用于复杂的电子设备。,（2）双面板,双面板包括两层：顶层（Top Layer）和底层（Bottom Layer）。过孔是一种穿透印制电路板并将两层的铜箔连接起来的金属化导电圆孔。,图5-3 双面板,（3）多层板,多层板是具有多个导电层的电路板。适用于复杂的电路系统。,图5-4 多层板,2元件的封装,印制电路板是用来安装元件的，而同类型的元件，如电阻，即使阻值一样，也有大小之分。因而在设计印制电路板时，必须是实际元件在印制电路板上的投影。称为元件封装。例如，电解电容的投影是一个圆形，那么其元件封装就是一个圆形符号。,（l）元件封装的分类,按照元件安装方式，元件封装可以分为直插式和表面粘贴式两大类。典型直插式元件封装外型及其PCB板上的焊接点如图5-5所示。,图5-5 穿孔安装式元件外型及其PCB焊盘,典型的表面粘贴式封装的PCB图如图5-6所示。此类封装的焊盘只限于表面板层，即顶层或底层，采用不影响其他层的布线但是这种封装的元件手工焊接难度相对较大，多用于大批量机器生产。,图5-6 表面粘贴式封装的器件外型及其PCB焊盘,3铜箔导线,印制电路板的铜箔导线简称为导线（Track）。印制电路板的设计主要是布置铜箔导线。与铜箔导线类似的还有一种线，称为飞线，又称预拉线。飞线主要用于表示各个焊盘的连接关系，指引铜箔导线的布置，它不是实际的导线。,4焊盘,焊盘的作用是在焊接元件时放置焊锡，将元件引脚与铜箔导线连接起来。在设计焊盘时，要考虑到元件形状、引脚大小、安装形式、受力及振动大小等情况。,图5-7 常见焊盘,5助焊膜和阻焊膜,为了使印制电路板的焊盘更容易粘上焊锡，通常在焊盘上涂一层助焊膜。另外，为了防止印制电路板不应粘上焊锡的铜箔不小心粘上焊锡，在这些铜箔上一般要涂一层绝缘层（通常是绿色透明的膜），这层膜称为阻焊膜。,6过孔,双面板和多层板有两个以上的导电层，导电层之间相互绝缘，如果需要将某一层和另一层进行电气连接，可以通过过孔实现。,图5-8 过孔的两种形式,7丝印层,除了导电层外，印制电路板还有丝印层。丝印层主要采用丝印印刷的方法在印制电路板的顶层和底层印制元件的标号、外形和一些厂家的信息。,5.2 创建一个新的PCB文件,在将原理图设计转换为PCB设计之前，需要创建一个有最基本的板子轮廓的空白PCB。在Altium Designer中创建一个新的PCB设计的最简单方法是使用PCB向导，它可让设计者根据行业标准选择自己创建的PCB板的大小。在向导的任何阶段，设计者都可以使用Back按钮来检查或修改以前页的内容。,印刷电路板设计简化流程,要使用PCB向导来创建PCB，完成以下步骤：,1在Files面板的底部的New from template单元单击PCB Board Wizard创建新的PCB。2PCB Board Wizard打开,设计者首先看见的是介绍页,点Next按钮继续。3设置度量单位为英制（Imperial）。注意：1000 mils=1 inch(英寸)、1 inch=2.54cm（厘米）。4向导的第三页允许设计者选择要使用的板轮廓。,5在下一页，进入了自定义板选项。在本例电路中，一个2 x 2 inch的板便足够了。选择Rectangular并在Width和Height栏键入2000。取消Title Block&Scale、Legend String 和 Dimension Lines 以及 Corner Cutoff 和 Inner Cutoff复选框如图5-9。单击Next继续。,图5-9 PCB板形状设置,6在这一页允许选择板子的层数。单击Next继续。7在设计中使用过孔（via）样式选择Thruhole Vias only，单击Next。8在下一页允许设计者设置元件/导线的技术（布线）选项。选择Through-hole components选项，将相邻焊盘（pad)间的导线数设为One Track。单击Next继续。9下一页用于设置一些设计规则，如线的宽度、焊盘的大小，焊盘孔的直径，导线之间的最小距离如图5-10，在这里设为默认值。点Next按钮继续。,10单击Finish按钮。PCB Board Wizard已经设置完所有创建新PCB板所需的信息。PCB编辑器现在将显示一个新的PCB文件，名为PCB1.PcbDoc，如图5-11所示。,图5-10 设置线的宽度、焊盘的大小，焊盘孔的直径，导线之间的最小距离,图5-11 定义好的一个空白的PCB板形状,5.4导入设计,如果项目已经编辑并且在原理图中没有任何错误，则可以使用Update PCB命令来产生ECO（Engineering Change Orders工程变更命令），它将把原理图信息导入到目标PCB文件。,更新PCB,将项目中的原理图信息发送到目标PCB：1打开原理图文件Multivibrator.SchDoc。2在原理图编辑器选择Design Update PCB Document Multivibrator.PcbDoc命令。工程变更命令(Engineering Change Order)对话框出现。如图5-14所示。,图5-14 工程变更命令对话框,3单击Validate Changes按钮，验证一下有无不妥之处，如果执行成功则在状态列表(Status)Check中将会显示 符号；若执行过程中出现问题将会显示 符号，关闭对话框。4如果单击Validate Changes按钮，没有错误，则单击Execute Changes按钮，将信息发送到PCB。当完成后，Done那一列将被标记。如图5-15所示。,图5-15 执行了Validate Changes、Execute Changes后的对话框,5单击Close按钮，目标PCB文件打开，并且元件也放在PCB板边框的外面以准备放置。如果设计者在当前视图不能看见元件，使用热键V、D（菜单View Fit Document）查看文档。如图5-16所示。,图5-16 信息导入到PCB,6PCB文档显示了一个默认尺寸的白色图纸，要关闭图纸，选择Design Board Options，在Board Options对话框取消选择Design Sheet。,小结：,5.1印制电路板的基础知识5.2创建一个新的PCB文件 使用PCB向导来创建PCB。在Files面板的底部的New from template单元单击PCB Board Wizard创建新的PCB。5.3用封装管理器检查所有元件的封装 在原理图编辑器内，执行ToolsFootprint Manager命令5.4导入设计 在原理图编辑器选择Design Update PCB Document Multivibrator.PcbDoc命令。,5.5.1设置新的设计规则,Altium Designer的PCB编辑器是一个规则驱动环境。这意味着，在设计者改变设计的过程中，如放置导线、移动元件或者自动布线，Altium Designer都会监测每个动作，并检查设计是否仍然完全符合设计规则。如果不符合，则会立即警告，强调出现错误。在设计之前先设置设计规则以让设计者集中精力设计，因为一旦出现错误，软件就会提示。设计规则总共有10个类，包括电气、布线、制造、放置、信号完整性等的约束。,现在来设置必要的新的设计规则，指明电源线、地线的宽度。具体步骤如下：,1激活PCB文件，从菜单选择Design Rules。2PCB Rules and Constraints Editor 对话框出现。如图5-17所示。双击Routing展开显示相关的布线规则，然后双击Width显示宽度规则。,图5-17 设计规则对话框,3单击选择每条规则。如图5-18所示，下方将显示规则的限制。这些规则都是默认值，或在新的PCB文件创建时在PCB Board Wizard(PCB板向导)中设置的信息。,图5-18 设置Width规则,4单击Width规则，显示它的范围和约束，如图5-18所示，本规则适用于整个板。,5.5.2在PCB中放置元件,现在设计者可以放置元件了。1按快捷键V、D将显示整个板子和所有元件。2现在放置连接器Y1，将光标放在连接器轮廓的中部上方，按下鼠标左键不放。光标会变成一个十字形状并跳到元件的参考点。3不要松开鼠标左键，移动鼠标拖动元件。4拖动连接时，按下Space键将其旋转90，然后将其定位在板子的左边，如图5-23所示。,5元件定位好后，松开鼠标左键将其放下，注意元件的飞线将随着元件被拖动。6参照图5-23所示放置其余的元件。当设计者拖动元件时，如有必要，使用Space键来旋转元件，让该元件与其它元件之间的飞线距离最短，这样飞线就如图5-23所示。元器件文字可以用同样的方式来重新定位按下鼠标左键不放来拖动文字，按Space键旋转。,图5-23 放置元件,5.5.3修改封装,现在已经将封装都定位好了，但电容的封装尺寸太大，需要改作更小尺寸的封装。1首先设计者要找到一个新的封装。单击Libraries面板，从库列表中选择Miscellaneous Deivices.IntLibFootprint View，设计者要的是一个小一些的radial类型的封装，因此在过滤器栏键入rad，单击封装名就会看见与这名字相联系的封装，其中封装RAD-0.1就是设计者需要的，如图5-25所示。2在PCB板上双击电容C1，弹出Component C1对话框,在Footprint 栏将Name处改为RAD-0.1或者单击Name处的如图5-26所示，弹出Browse Libraries对话框如图5-27所示，选择RAD-0.1,按OK按钮即可。,图5-25 显示元件的封装 图5-26 Component C1对话框,图5-27 Browse Libraries对话框 图5-28 布好元件的PCB板每个对象都定位放置好后，就可以开始布线了！,5.5.4手动布线,布线是在板上通过走线和过孔以连接元件的过程。Altium Designer通过提供先进的交互式布线工具以及Situs拓扑自动布线器来简化这项工作，只需轻触一个按钮就能对整个板或其中的部分进行最优化布线。自动布线器提供了一种简单而有效的布线方式。但在有的情况下，设计者将需要精确地控制排布的线，或者设计者可能想享受一下手动布线的乐趣！在这些情况下可以手动为部分或整块板布线。在这一节的例子中，将手动对单面板进行布线，将所有线都放在板的底部。在PCB上的线是由一系列的直线段组成的。每一次改变方向即是一条新线段的开始。此外，默认情况下，Altium Designer会限制走线为纵向、横向或45角的方向，让设计者的设计更专业。这种限制可以进行设定，以满足设计者的需要，但对于本例，将使用默认值。,1用快捷键 L以显示View Configurations对话框。在Signal Layers区域中选择在 Bottom Layer旁边的Show选项，单击 OK按钮，底层标签就显示在设计窗口的底部了。在设计窗口的底部单击Bottom Layer标签，使PCB板的底部处于激活状态。2在菜单中单击Place Interactive Routing（快捷键：P，T）或者单击放置（Placement）工具栏的按钮，光标变成十字形状，表示设计者处于导线放置模式。3检查文档工作区底部的层标签。如果Top Layer标签是激活的，按数字键盘上的“*”键，在不退出走线模式的情况下切换到底层。“*”键可用在信号层之间切换。4将光标定位在排针Y1较低的焊盘（选中焊盘后，焊盘周围有一个小框围住）。左击鼠标或按Enter按钮，以确定线的起点。,5将光标移向电阻R1底下的焊盘。注意：线段是如何跟随光标路径来在检查模式中显示的。状态栏显示的检查模式表明它们还没被放置。如果设计者沿光标路径拉回，未连接线路也会随之缩回。在这里，设计者有两种走线的选择。Ctrl十左击鼠标，使用AutoComplete功能，并立即完成布线（此技术可以直接使用在焊盘或连接线上）。起始和终止焊盘必须在相同的层内布线才有效，同时还要求板上的任何的障碍不会妨碍AutoComplete的工作。对较大的板，AutoComplete路径可能并不总是有效的，这是因为走线路径是一段接一段地绘制的，而从起始焊盘到终止焊盘的完整绘制有可能根本无法完成。使用Enter键或左击鼠标来接线，设计者可以直接对目标R1的引脚接线。在完成了一条网络的布线，右击或按ESC键表示设计者已完成了该条导线的放置。光标仍然是一个十字形状，表示设计者仍然处于导线放置模式，准备放置下一条导线。用上述方法就可以布其它导线。要退出连线模式（十字形状）再按鼠标右键或按ESC键。按End键重画屏幕，这样设计者能清楚地看见已经布线的网络。,6未被放置的线用虚线表示，被放置的线用实线表示。7使用上述任何一种方法，在板上的其他元器件之间布线。在布线过程中按Space键将线段起点模式切换到水平/450/垂直。8如果认为某条导线连接得不合理，可以删除这条线：方法选中该条线，按Delete键来清除所选的线段，该线变成飞线。然后重新布这条线。9完成PCB上的所有连线后，如图5-29所示，右击或者按ESC键以退出放置模式。10保存设计（快捷键为F,S 或者CtrlS）。,图5-29 完成手动布线的PCB板,布线的时候请记住以下几点。,单击或按Enter键，来放置线到当前光标的位置。状态栏显示的检查模式代表未被布置的线，已布置的线将以当前层的颜色显示为实体。在任何时候使用Ctrl键十单击来自动完成连线。起始和终止引脚必须在同一层上，并且连线上没有障碍物。使用ShiftSpace来选择各种线的角度模式。角度模式包括：任意角度，450，弧度450，900和弧度900。按Space键切换角度。在任何时间按End键来刷新屏幕。在任何时间使用V，F键重新调整屏幕以适应所有的对象。在任何时候按Page UP或 Page Down键，以光标位置为核心，来缩放视图。使用鼠标滚轮向上边和下边平移。按住Ctrl键，用鼠标滚轮来进行放大和缩小。当设计者完成布线并希望开始一个新的布线时，右击或按ESC键。为了防止连接了不应该连接的引脚。Altium Designer将不断地监察板的连通性，并防止设计者在连接方面的失误。重布线是非常简便的，当设计者布置完一条线并右击完成时，冗余的线段会被自动清除。祝贺！设计者已经手工布线完成了PCB板设计。,5.5.5自动布线,请完成以下步骤，设计者会发现使用Altium Designer软件是如此方便。1首先，从菜单选择Tools Un-Route All（快捷键U，A）取消板的布线。2从菜单选择Auto Route All（快捷键A，A），弹出 Situs Routing Strategies对话框，单击Route All按钮。Messages显示自动布线的过程。Situs autorouter提供的布线结果可以与一名经验丰富的设计师相比，如图5-30所示。这是因为Altium Designer在PCB窗口中对设计者的板进行直接布线，而不需要导出和导入布线文件。,图5-30 自动布线结果（3）单击FileSave命令（快捷键：F，S）来储存设计者设计的板。,注：线的放置由Autorouter通过两种颜色来呈现。红色，表明该线在顶端的信号层；蓝色，表明该线在底部的信号层。要用于自动布线的层在PCB Board Wizard中的 Routing Layer 设计规则中指定。设计者也会注意到连接到连接器的两条电源网络导线要粗一些，这是由设计者所设置的两条新的Width设计规则所指明的。如果设计中的布线与图5-29不完全一样，也是正确的，因为手动布线时，布的是单面板，而自动布线时，布的是双面板，再加上元器件摆放位置不完全相同，布线也会不完全相同。图5-30为自动布线的结果。因为最初在PCB Board Wizard中确定的板是双面印刷电路板，所以设计者可以使用顶层和底层来手工将设计者的板布线为双面板。要这样做，从菜单选择Tools Un-Route All（快捷键U，A）取消板的布线。象以前那样开始布线，但要在放置导线时用“*”键在层间切换。Altium Designer软件在切换层的时候会自动地插入必要的过孔。,5.6验证设计者的板设计,Altium Designer提供一个规则驱动环境来设计PCB，并允许设计者定义各种设计规则来保证PCB板设计的完整性。比较典型的做法是，在设计过程的开始设计者就设置好设计规则，然后在设计进程的最后用这些规则来验证设计。在本例中设计者已经添加了二个新的宽度约束规则。设计者也注意到已经由PCB板向导创建了许多规则。为了验证所布线的电路板是符合设计规则的，现在设计者要运行设计规则检查Design Rule Check(DRC)。选择Design Board Layers&Colors（快捷键L），确认System Colors 单元的DRC Error Markers 选项旁的Show复选框被勾选，这样DRC错误标记（DRC error markers）才会显示出来。,从图5-30可以看出，三极管Q1、Q2和4个电阻R1R4的焊盘呈现绿色高亮，表示它们违反了设计规则，因为规则是实时检查的。下面检查违反设计规则的原因：,1从菜单选择Tools Design Rule Check（快捷键T，D）,弹出Design Rule Checker对话框如图5-31所示，保证Design Rule Checker 对话框的实时和批处理设计规则检测都被配置好。点一个类查看其所有原规则，如单击Electrical,可以看到属于那个种类的所有规则。,图5-31 设计规则检查对话框2保留所有选项为默认值，单击Run Design Rule Check按钮。DRC就开始运行，Design Rule Verification Report将自动显示，如图5-32所示，并在该文件夹Project Outputs for Multivibrator下，产生了Design Rule CheckMultivibrator.drc文件。,图5-32 设计规则检查报告,