PCB电路设计原理与概念.docx

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PCB电路设计原理与概念

PCB电路设计

本章介绍印刷电路板（PCB板）设计的一些基本概念，如电路板、导线、元件封装、多层板等，并介绍印刷电路板的设计方法和步骤。

通过这一章的学习，使读者能够完整地掌握电路板设计的全部过程。

5.1PCB电路板的基本概念

5.1.1PCB电路板的概念

　　在学习PCB电路板设计之前，首先要了解一些基本的概念，对PCB电路板有一些了解。

一般所谓的PCB电路板有SingleLayerPCB（单面板）、DoubleLayerPCB（双面板）。

四层板、多层板等。

●单面板是一种单面敷铜，因此只能利用它敷了铜的一面设计电路导线和元件的焊接。

●双面板是包括Top（顶层）和Bottom（底层）的双面都敷有铜的电路板，双面都可以布线焊接，中间为一层　　绝缘层，为常用的一种电路板。

●如果在双面板的顶层和底层之间加上别的层，即构成了多层板，比如放置两个电源板层构成的四层板，这就是　　多层板。

　　通常的PCB板，包括顶层、底层和中间层，层与层之间是绝缘层，用于隔离布线层。

它的材料要求耐热性和绝缘性好。

早期的电路板多使用电木为材料，而现在多使用玻璃纤维为主。

　　在PCB电路板布上铜膜导线后，还要在顶层和底层上印刷一层SolderMask（防焊层），它是一种特殊的化学物质，通常为绿色。

该层不粘焊锡，防止在焊接时相邻焊接点的多余焊锡短路。

防焊层将铜膜导线覆盖住，防铜膜过快在空气中氧化，但是在焊点处留出位置，并不覆盖焊点。

对于双面板或者多层板，防焊层分为顶面防焊层和底面防焊层两种。

　　电路板制作最后阶段，一般要在防焊层之上印上一些文字符号，比如元件名称、元件符号、元件管脚和版权等，方便以后的电路焊接和查错等。

这一层为SilkscreenOverlay（丝印层）。

多层板的防焊层分TopOverlay（顶面丝印层）和BottomOverlay（底面丝印层）。

5.1.2多层板概念

　　般的电路系统设计用双面板和四层板即可满足设计需要，只是在较高级电路设计中，或者有特殊需要，比如对抗高频干扰要求很高情况下才使用六层及六层以上的多层板。

多层板制作时是一层一层压合的，所以层数越多，无论设计或制作过程都将更复杂，设计时间与成本都将大大提高。

如果在PCB电路板的顶层和底层之间加上别的层，即构成了多层板，比如放置两个电源板层构成多层板。

　　多层板的Mid-Layer（中间层）和InternalPlane（内层）是不相同的两个概念，中间层是用于布线的中间板层，该层均布的是导线，而内层主要用于做电源层或者地线层，由大块的铜膜所构成，其结构如图5—1所示。

图5—1多层板剖面图

　　在图5—1中的多层板共有6层设计，最上面为TopLayer（顶层）；最下为BottomLayer（底层）；中间4层中有两层内层，即InternalPlane1和InternalPlane2,用于电源层；两层中间层，为MidLayerl和MidLayer2，用于布导线。

5.1.3过孔

过孔就是用于连接不同板层之间的导线。

过孔内侧一般都由焊锡连通，用于元件的管脚插入。

　　过孔分为3种：

从顶层直接通到底层的过孔称为ThncholeVias（穿透式过孔）；只从顶层通到某一层里层，并没有穿透所有层，或者从里层穿透出来的到底层的过孔称为BlindVias（盲过孔）；只在内部两个里层之间相互连接，没有穿透底层或顶层的过孔就称为BuriedVias（隐藏式过孔）。

过孔的形状一般为圆形。

过孔有两个尺寸，即HoleSize（钻孔直径）和钻孔加上焊盘后的总的Diameter（过孔直径），如图5—2所示。

图5—2过孔的形状和尺寸

5.1.4铜膜导线

　　电路板制作时用铜膜制成铜膜导线（Track），用于连接焊点和导线。

铜膜导线是物理上实际相连的导线，有别于印刷板布线过程中的预拉线（又称为飞线）概念。

预拉线只是表示两点在电气上的相连关系，但没有实际连接。

5.1.5焊盘

　　焊盘用于将元件管脚焊接固定在印刷板上完成电气连接。

焊盘在印刷板制作时都预先布上锡，并不被防焊层所覆盖。

通常焊盘的形状有以下三种，即圆形（Round）、矩形（Rectangle）和正八边形（Octagonal），如图5—3所示。

图5－3圆形、矩形和正八边形焊盘

5.1.6元件的封装

　　元件的封装是印刷电路设计中很重要的概念。

元件的封装就是实际元件焊接到印刷电路板时的焊接位置与焊接形状，包括了实际元件的外型尺寸，所占空间位置，各管脚之间的间距等。

　　元件封装是一个空间的概念，对于不同的元件可以有相同的封装，同样一种封装可以用于不同的元件。

因此，在制作电路板时必须知道元件的名称，同时也要知道该元件的封装形式。

1．元件封装的分类

普通的元件封装有针脚式封装和表面粘着式封装两大类。

　　针脚式封装的元件必须把相应的针脚插入焊盘过孔中，再进行焊接。

因此所选用的焊盘必须为穿透式过孔，设计时焊盘板层的属性要设置成Multi－Layer，如图5—4和图5—5所示。

图5—4针脚式封装图5—5针脚式封装元件焊盘属性设置

　　SMT（表面粘着式封装）。

这种元件的管脚焊点不只用于表面板层，也可用于表层或者底层，焊点没有穿孔。

设计的焊盘属性必须为单一层面，如图5—6和图5—7所示。

图5—6表面粘着武元件的封装图5—7表面粘着式封装焊盘属性设置

2．常见的几种元件的封装

常用的分立元件的封装有二极管类、晶体管类、可变电阻类等。

常用的集成电路的封装有DIP—XX等。

ProtelDXP将常用的封装集成在MiscellaneousDevicesPCB．PcbLib集成库中。

◆二极管类

常用的二极管类元件的封装如图5—8所示。

◆电阻类

电阻类元件常用封装为AXIAL—XX，为轴对称式元件封装。

如图5—9所示就是一类电阻封装形式。

图5—8二极管类元件封装图5—9电阻类元件封装

◆晶体管类

常见的晶体管的封装如图5—10所示，MiscellaneousDevicesPCB．PcbLib集成库中提供的有BCY—W3／H.7等。

◆集成电路类

集成电路常见的封装是双列直插式封装，如图5—11所示为DIP—14的封装类型。

图5－10晶体管的封装图5—11DIP－14封装

◆电容类

电容类分为极性电容和无极性电容两种不同的封装，如图5—12和图5一13所示。

图5--—12极性电容封装图5—13无极性电容封装

MiscellaneousDevicesPCB．PcbLib集成库中提供的极性电容封装有RB7.6—15等，提供的无极性电容的封装有RAD—0.1等。

5.2PCB电路板的设计流程

PCB电路板设计的流程如图5—14所示。

图5—14PCB板设计流程图

1．设计原理图

　　这是设计PCB电路的第一步，就是利用原理图设计工具先绘制好原理图文件。

如果在电路图很简单的情况下，也可以跳过这一步直接进人PCB电路设计步骤，进行手工布线或自动布线。

2．定义元件封装

　　原理图设计完成后，元件的封装有可能被遗漏或有错误。

正确加入网表后，系统会自动地为大多数元件提供封装。

但是对于用户自己设计的元件或者是某些特殊元件必须由用户自己定义或修改元件的封装。

3．PCB图纸的基本设置

　　这一步用于PCB图纸进行各种设计，主要有：

设定PCB电路板的结构及尺寸，板层数目，通孔的类型，网格的大小等，既可以用系统提供的PCB设计模板进行设计，也可以手动设计PCB板。

4．生成网表和加载网表

网表是电路原理图和印刷电路板设计的接口，只有将网表引人PCB系统后，才能进行电路板的自动布线。

　　在设计好的PCB板上生成网表和加载网表，必须保证产生的网表已没有任何错误，其所有元件能够很好的加载到PCB板中。

加载网表后系统将产生一个内部的网表，形成飞线。

　　元件布局是由电路原理图根据网表转换成的PCB图，一般元件布局都不很规则，甚至有的相互重叠，因此必须将元件进行重新布局。

　　元件布局的合理性将影响到布线的质量。

在进行单面板设计时，如果元件布局不合理将无法完成布线操作。

在进行对于双面板等设计时，如果元件布局不合理，布线时。

将会放置很多过孔，使电路板走线变得复杂。

5．布线规则设置

　　飞线设置好后，在实际布线之前，要进行布线规则的设置，这是PCB板设计所必须的一步。

在这里用户要定义布线的各种规则，比如安全距离、导线宽度等。

6．自动布线

　　ProtelDXP提供了强大的自动布线功能，在设置好布线规则之后，可以用系统提供的自动布线功能进行自动布线。

只要设置的布线规则正确、元件布局合理，一般都可以成功完成自动布线。

7．手动布线

　　在自动布线结束后，有可能因为元件布局或别的原因，自动布线无法完全解决问题或产生布线冲突时，即需要进行手动布线加以设置或调整。

如果自动布线完全成功，则可以不必手动布线。

在元件很少且布线简单的情况下，也可以直接进行手动布线，当然这需要一定的熟练程度和实践经验。

8．生成报表文件

　　印刷电路板布线完成之后，可以生成相应的各类报表文件，比如元件清单、电路板信息报表等。

这些报表可以帮助用户更好的了解所设计的印刷板和管理所使用的元件。

9．文件打印输出

　　生成了各类文件后，可以将各类文件打印输出保存，包括PCB文件和其他报表文件均可打印，以便永久存档。

5.3建立SCH文档

　　前面章节已经着重介绍了原理图的创建，这里不再详细介绍创建方法，具体设计参见第2、3、4章相关内容。

1．创建原理图

　　在这里创建一份简单的时钟发生器原理图，并以此为例，在本章后面章节中介绍如何设计相应的PCB电路板。

设计的主要步骤如下：

（1）从ProtelDXP的主菜单下执行命令File/New／PCBProject，建立一份PCB设计项目，命名为ClocK．PRJPCB。

（2）在该设计项目下新建一份SCH原理图，相应的菜单执行命令为File/New/Schematic,将其命名为CLOCK．SCHDOC。

2．定义元件封装

在设计项目中，加人集成库MiscellaneousDevices．IntLib。

从中选择元件进行放置，并放置导线，完成它们之间的连接。

设计完成后的效果如图5—15所示。

图5—15时钟发生器原理图

时钟发生器原理图中使用到的各元件封装如表5—1所示。

Designator　　Description　　　Footprint　　　　Comment

C1　　　　　　　Capacitor　　　c1005-0402　　　10n

C2　　　　　　　Capacitor　　　　RAD-0.3　　　　60p

C3　　　　　　　Capacitor