第10章PADSLayout的元器件的布局.docx
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第10章PADSLayout的元器件的布局
第10章PADSLayout的元器件的布局
PADSLayout是复杂的、高速印制电路板的设计环境。
它是一个强有力的基于形状化（shape-based）、规则驱动（rules-driven）的布局设计方案。
PADSLayout的布局可以通过自动和手工两种方式来进行。
本章将从布局规则开始，对如何利用PADS2007软件实现元件布局进行详细的介绍，使读者对手动布局和自动布局有一个比较全面的了解。
.1布局规则介绍
在PCB设计中，PCB布局是指对电子元器件在印刷电路上如何规划及放置的过程，它包括规划和放置两个阶段。
合理的布局是PCB设计成功的第一步，布局结果的好坏将直接影响到布线的效果和可制造性。
不恰当的布局可能导致整个设计的失败或生产效率降低。
在PCB设计中，关于如何合理布局应当考虑PCB的可制性、合理布线的要求、某种电子产品独有的特性等。
.1.1PCB的可制造性与布局设计
PCB的可制造性是说设计出的PCB要符合电子产品的生产条件。
如果是试验产品或者生产量不大需要手工生产，可以较少考虑；如果需要大批量生产，需要上生产线生产的产品，则PCB布局就要做周密的规划。
需要考虑贴片机、插件机的工艺要求及生产中不同的焊接方式对布局的要求，严格遵照生产工艺的要求，这是设计批量生产的PCB应当首先考虑的。
当采用波峰焊时，应尽量保证元器件的两端焊点同时接触焊料波峰。
当尺寸相差较大的片状元器件相邻排列，且间距很小时，较小的元器件在波峰焊时应排列在前面，先进入焊料池。
还应避免尺寸较大的元器件遮蔽其后尺寸较小的元器件，造成漏焊。
板上不向组件相邻焊盘图形之间的最小间距应在1mm以上。
元器件在PCB板上的排向，原则上是随元器件类型的改变而变化，即同类元器件尽可能按相同的方向排列，以便元器件的贴装、焊接和检测。
布局时，DIP封装的汇摆放的方向必须与过锡炉的方向垂直，不可平行，如图10-1所示。
如果布局上有困难，可允许水平放置IC（SOP封装的IC摆放方向与DIP相反）。
SOL
正确
错误
图10-1DIP封装与IC摆放的方向与过锡炉的方向垂直
回流焊几乎适用于所有贴片元件的焊接，波峰焊则只适用于焊接矩形片状元件、圆柱形元器件、SOT和较小的SOP（管脚数小于28、脚间距在1mm以上）。
当采用波峰焊接SOP等多脚元件时，应在锡流方向最后两个（每边各一个）焊脚外设置窃锡焊盘，防止连焊。
鉴于生产的可操作性，对于双面需要放置元器件的PCB整体设计而言，应尽可能按以下顺序优化。
（1）双面贴装，在PCB的A面布放贴片元件和插装元件，B面布放适合于波峰焊的贴片元件。
（2）双面混装，在PCB的A面布放贴片元件和插装元件，B面布放有需回流焊的贴片元件。
元件布置的有效范围：
在设计需要到生产线上生产的PCB板时，X,Y方向均要留出传送边，每边3.5mm，如不够，需另加工艺传送边。
在印刷电路板中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或4:
3。
电路板面尺寸大于200mm×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。
为了精密地贴装元器件，可根据需要设计用于整块PCB的光学定位的一组图形（基准标志），用于引脚数多、引脚间距小的单个器件的光学定位图形（局部基准标志）。
基准标志常用图形有：
■、●、▲、+，大小在0.5～2.0mm范围内，置于PCB或单个器件的对角线对称方向位置。
基准标志要考虑PCB材料颜色与环境的反差，通常设置成焊盘样，即覆铜或镀铅锡合金。
对于拼板，由于模板冲压偏差，可能形成板与板之间间距不一致，最好在每块拼板上都设基准标志，让机器将每块拼板当做单板看待。
在PCB设计中，还要考虑导通孔对元器件布局的影响，避免在表面安装焊盘以内，或在距表面安装焊盘0.635mm以内设置导通孔。
如果无法避免，需用阻焊剂将焊料流失通道阻断。
作为测试支撑导通孔，在设计布局时，需充分考虑不同直径的探针，进行自动在线测试（ATE）时的最小间距。
.1.2电路的功能单元与布局设计
PCB中的布局设计中要分析电路中的电路单元，根据其功能合理地进行布局设计，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：
（3）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。
（4）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。
（5）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。
.1.3特殊元器件与布局设计
在PCB设计中，特殊的元器件是指高频部分的关键元器件、电路中的核心器件、易受干扰的元器件、带高压的元器件、发热量大的器件以及一些异形元器件等。
这些特殊元器件的位置需要仔细分析，做到布局合乎电路功能的要求及生产的要求，不恰当地放置它们，可能会产生电磁兼容问题、信号完整性问题，从而导致PCB设计的失败。
在设计如何放置特殊元器件时，首先要考虑PCB尺寸大小。
PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。
在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。
最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。
特殊元器件的位置在布局时一般要遵守以下原则：
（6）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。
（7）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，以免放电引起意外短路。
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。
（8）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。
（9）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。
（10）应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。
一个产品的成功与否，一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观，两者都较完美才能认为该产品是成功的。
在一个PCB板上，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。
.1.4布局的检查
在完成元件的基本布局后,需要对布局进行检查,分以下几个方面进行:
（11）印制板尺寸是否与图纸要求的加工尺寸相符，是否符合PCB制造工艺要求，有无定位标记。
（12）元件在二维、三维空间上有无冲突。
（13）元件布局是否疏密有序，排列整齐，是否全部布完。
（14）需经常更换的元件能否方便地更换，插件板插入设备是否方便。
（15）热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离。
（16）调整可调元件是否方便。
（17）在需要散热的地方，是否装了散热器，空气流是否通畅。
（18）信号流程是否顺畅且互连最短。
（19）插头、插座等与机械设计是否矛盾。
（20）线路的干扰问题是否有所考虑。
.1.5设置板框及定义各类禁止区
在完成了以上操作后，我们要对板框进行设置，还有要根据需要定义一些禁止区。
一、板框的画法
板框（BoardOutline）是指印刷电路板实际的形状，所有的元器件及布线都应在板框内，设计中板框在所有的层中都会显示出来。
在PADSLayout设计中，利用绘图工具栏来进行PCB的板框设计，单击主工具栏中的绘图（Drifting）工具栏按钮
，在主工具栏的下方弹出绘图工具栏,如图10-2所示。
图10-2绘图工具栏
利用绘图工具栏可以进行建立2D线、板子边框、各种字符、铜皮/覆铜、切割区和禁止区等设计。
下面对各绘图按钮的功能做简要介绍。
选择：
取消当前命令并返回到选择模式。
2D线：
建立2D连线，用来表示如箭头标记、元件外框等没有电气性能的符号。
铜线：
铺设实心铜皮，绘制覆铜的区域或绘制线。
剪裁铜线：
从铺设好的实心铜皮剪切出各种图形的铜皮。
灌铜：
绘制灌铜区的外框。
禁止灌铜：
设置灌铜区域中的禁止灌铜区。
板框或剪切：
绘制PCB板框及剪切板框块。
禁止区：
对于某一设置的区域进行控制，如高度控制、禁止在这一区域布线、覆铜等。
文本：
增加文字描述。
灌注：
灌注需要覆铜的区域。
库：
从库中提取各种二维线的图形或冻结图形。
分割区：
建立混合分割层中各分割区域。
剪裁分割区：
建立混合分割层禁止区。
自动划分：
在混合分割层中自动划分各区域。
恢复：
恢复灌铜。
增加标签：
为元器件、跳线增加关于型号、设计参数等的标签、标注。
导入：
导入DXF文件。
选项：
打开参数对话框，定义各种参数。
下面利用PADSLayout自带的为例，介绍板框的画法。
如图10-3所示是布线后的PCB设计图，如图10-4所示是的PCB板框图。
图10-3的PCB设计图
图10-4的PCB板框图
应用绘图工具栏能够绘制覆铜的形状、禁止布线区及相关的没有电气属性的图形。
在绘图工具栏中单击相关的按钮进行绘图，这时的鼠标指针在工作区中是一个带“V”的十字图标，单击鼠标右键，弹出绘图选择菜单，如图10-5所示。
图10-5绘图选择菜单
在菜单中选择多边形（Polygon）、圆（Circle）、矩形（Rectangle）、线（Path）用来绘制相关的图形，选择Path可以绘制任意不封闭的走线。
在弹出菜单中选择直角（Orthogonal），在绘图中只能绘出水平的或垂直的线。
在弹出菜单中选择对角线（Diagonal），在绘图中能够绘出水平、垂直及45°角的线。
在弹出菜单中选择任意角度（AnyAngle），在绘图中能够绘出任意角度的线。
在绘图中可以根据需要进行相关参数的设置。
（21）设置绘图线的宽度。
在弹出菜单中选择宽度（Width）命令，弹出线宽设置对话框，如图10-6所示，输入需要的线宽，按回车键即可，单位为Mil。
（22）绘图层的设置。
当要把图形绘制在非顶层的时候，就需要进行层的设置，在弹出菜单中选择层（Layer），弹出“层设置”对话框，如图10-7所示，输入需要绘图的层，按回车键。
图10-6线宽设置对话框
图10-7层设置对话框
（23）倒角设置。
在弹出菜单中选择自动倒角（AutoMiter），在绘图时拐角就不再是90°的直角，而是自动出现了斜角或弧形，如图10-8所示。
图10-8倒角
（24）单击绘图工具栏上的Options按钮
，可以在弹出的对话框中设置倒角的大小及形状。
倒角的形状有对角线（Diagonal）、弧形（Arc）两种形状，修改比率（Ratio）、角度（Angle）文本框中的数值，设置倒角的大小。
如图10-9所示。
图10-9倒角设置对话框
（25）设置显示栅格、设计栅格。
执行Setup→Options菜单命令，在Grids选项中，进行如图10-10所示的设置。
图10-10珊格设置对话框
图10-11AddDrafting对话框
二、绘制禁止区
禁止区（Keepout）是定义数据不能放置在其中的区域。
定义的禁止区在布局、布线时起作用，禁止区（Keepout）和切割区（Cutout）锁定/保护（Lock/Protect）导线。
PowerPCB包含了许多高级的属性定义功能，在整个设计过程中确保数据的完整性非常必要，它将在整个设计过程中确保设计者数据的准确性。
对于约束规则的设计方式，PADSLayout的禁止区（Keepout）和切割区（Cutout）功能，允许设计者自定义机械的禁止区域，以确保PCB满足硬件的装配要求。
禁止区阻止在一个特定的区域内放置一些设计对象，设计者通过定义禁止区可以限制以下对象：
元件、带通孔管脚的元件、超过一定高度的元件、走线和布铜、过孔或跳线、测试点等。
禁止区在板框内是一个带有斜交叉线的封闭图形。
三、建立一个禁止区
（26）单击绘图工具栏上的禁止区（Keepout）按钮
。
（27）在工作区单击鼠标右键，在弹出菜单中选择需要的图型类型，如多边形（Polygon）、圆形（Circle）等。
（28）在工作区中绘制一个封闭的图形，作为禁止区，PADSLayout设计系统将弹出AddDrafting对话框，如图10-11所示。
（29）在AddDrafting对话框中设置限制条件。
∙Placement：
选择此项表示禁止区内限制放置所有元件。
如果选择ComponentHeight，则表示这个区域禁止放置的元件最高高度值。
在PADSLayout中元件都带有高度值，但PADSLayout设计中并不能看到3D元件,只有将设计以IDF格式转入PDC公司的Pro/ENGINEER软件才可以看见整板及元件的3D效果。
∙ComponentDrill：
选择此项表示禁止区内限制放置包含通孔的元件，如DIP元件，但可以放置表面贴（SMT）元件。
∙TraceandCopper：
选择此项表示禁止区内限制走线和布铜。
∙CopperPourandPlaneArea：
选择此项表示禁止区内限制灌铜或平面层。
∙ViaandJumper：
选择此项表示禁止区内限制过孔或跳线。
∙TestPoint：
选择此项表示禁止区内限制放置测试点。
（30）在Layer对话框中选择禁止区所在的层。
当设计者分配了禁止区的层后，禁止区的限制在其他层不起作用。
（31）单击按钮
，完成禁止区的绘制。
如果需要绘制另一个禁止区，则重复以上步骤即可。
.2手工布局
PADSLayout中具很强的自动布局功能，但对于不少设计，自动布局效果可能并不理想，不符合设计者的意愿，这就需要手工布局，下面介绍手工布局的步骤。
四、布局前的准备
在应用PADSLayout开始布局前，进行相关的布局参数的设置是十分必要的，如设计栅格、显示栅格、PCB板的某些局部区域高度控制、高频电路中重要网络的标志等，这些参数的设置对于布局设计来说十分必要。
（32）PCB板的某些局部区域高度控制。
在PCB设计中，进行元件布局时不仅要考虑元件的电气特性、布通率等，还要考虑元件及PCB板的3D特性。
有时设计的PCB需要考虑到PCB封闭到某种机箱里面，这样不恰当的放置元器件，可能影响产品的生产，从而导致PCB设计的失败。
例如，如果设计的PCB，加上元器件最后需要装一个圆柱体的壳子中时，必须考虑PCB的3D特性。
要使PCB板的两边适合放置高度不高的元器件，PCB板的中间适合放置个体比较高的元件。
在PADSLayout设计中，对某一区域元件高度进行限定，可通过规划禁止区来进行，在禁止区内设置可以放置的零件高度。
（33）PCB设计中重要网络的标志。
在PCB设计中，对于一些重要的网络，如高频电路中的高频网络、关键信号网络等，应用不同的颜色来进行标志，这在布局、布线设计中起到很好的警示作用。
网络色彩设置步骤如下：
1.首先执行View→Nets菜单命令，弹出“ViewNets”对话框，如图10-12所示。
图10-12ViewNets对话框
2.对话框的Net列表框中列出了设计中所有网络，View列表框中显示的是需要设置特殊颜色及进行其他设置的网络。
通过Add按钮将左边列表框中的网络增加到右边列表框中，应用Remove（移出）按钮也可以将右边列表框中的网络移到左边列表框中。
3.在Net列表框中选择需要设置的网络，单击Add按钮，增加到View列表框中。
在View列表框中选择需要设置颜色的网络，再单击“ColorbyNet（Pads,Vias,Unroutes）”中的某一种颜色。
这样就完成了网络色彩的设置，其他网络的设置，重复以上步骤即可。
4.在多层板设计中，地线网络、电源网络在布局时不需要考虑它们的布线空间。
如果把这些网络全部显示出来，工作区域会显得比较杂乱，因此在布局阶段通常将地线网络、电源网络隐去而不显示出来。
这时只需要在对这些网络进行特殊色彩设置时，再选中ViewUnroutesDetails选项组中的UnroutesPinPairs单选按钮即可。
如图10-13所示。
五、散开元件
原理图从PADSLogic中送过来之后，全部都被放在坐标原点。
为了方便观察，设计者需要把它们分散放在板框外边。
散开元件的操作很简单，在PADSLayout菜单中选择Tools菜单中的DisperseComponents命令，在弹出的“Disperse”对话框中单击按钮
，PADSLayout系统自动将所有的元件归类放在板框外.如图10-14所示
图10-13ViewUnroutesDetails选项组
图10-14PADSLayout对话框
六、元件放置顺序
元件在板周围散开后，设计者就要考虑先放置什么元器件，后放置什么元器件。
不同的PCB设计有不同的放置顺序，但一般情况下按下列顺序放置。
（34）位置固定的元件。
就是说那些元器件在板框中的位置是固定的，有的要求是十分精确的，如与外部连接的电源、信号接插件等。
（35）放置板框内有条件限制区域的元件。
如某一区域内禁止放置过高元件、散热大的元件、禁止布线、不允许放置测试点等。
（36）放置电路中的关键元器件。
如高频电路中的关键元器件，以及在设计中有特定要求的关键信号的元器件，在布局阶段要作特别的考虑，考虑该器件的管脚走线方式对信号完整性、电磁兼容性影响。
（37）放置面积比较大的元器件及比较复杂的元器件。
特别是对于元器件管脚比较多的元件，由于它们包括的网络较多，它们位置的恰当与否，对于下一步的PCB布线及PCB质量起着至关重要的作用。
这些元器件的放置有时需要反复尝试，直到找到最佳位置。
（38）剩下的元器件按原理图电路单元放置在相关的位置，最后做整体调整。
七、元件放置操作
在布局设计阶段，对元件放置的操作主要有对元器件的移动、旋转、水平对齐、垂直对齐等操作，对元器件位置的操作运用PADSLayout的设计工具栏中的命令来进行。
在主工具栏中单击设计（Design）按钮
，弹出设计工具栏，如图10-15所示。
图10-15设计工具栏
设计工具栏中包括布局工具和布线工具，本章介绍的布局将使用以下工具:
选择:
取消当前命令并转到选择模式。
移动:
移动元器件。
径向移动:
按照用户自定义的极性珊格放置元器件。
旋转:
每次以旋转90度角逆时针方向旋转元器件。
转动:
以元器件中心位置为原点自由旋转到设计者需要的角度。
位置交换:
交换两个元器件的位置。
移动标志符:
移动设计中的标志符号。
查看簇
:
建立或修改簇。
（39）单个元件的放置。
下面以PADSLayout设计系统自带的中D1元件的放置为例，说明单个元器件放置的步骤，D1位置如图10-16中橙色圆框所示。
图10-16中D1元件的位置
5.查找元件。
输入直接命令S（搜索），然后输入元件名称D1，按回车键，光标自动移到该元件上面。
6.选择元件。
在该元件上单击鼠标选择该元件，该元件高亮显示，表示该元件已被选中。
7.移动元件。
实现移动操作的方法有3种：
单击设计工具栏中的移动（Move）按钮
。
单击鼠标右键在弹出菜单中选择Move命令；
按Ctrl+E组合键。
随着设计者对PADSLayout设计系统的熟悉，建议应用快捷键以提高设计效率。
当完成上面三种操作的任意一种后，元件D1贴在鼠标指针上，随鼠标的运动而移动，移动到需要位置，单击鼠标完成移动操作。
8.转动元件。
D1元件放置由于不是水平和垂直的，而是倾斜的，因此需要转动。
选择D1，单击设计工具栏中的转动（Spin）按钮
，在D1两管脚会出现一个作为旋转点的十字光标，旋转鼠标将D1转动到需要的角度，单击鼠标左键完成转动操作。
放置一个元件到PCB板的另一面：
选择需要放置到PCB另一面的元件，单击鼠标右键，并在弹出菜单中选择FlipSide命令，元件做镜像翻转后放入PCB的另一面。
注意
如果DRC校验是打开的并存在间距规则错误，这个操作将会被取消。
（40）组（Group）操作。
在PCB设计中，有时需要把几个元件作为一组进行一些相关的操作，如移动、旋转、对齐等。
首先运用按Ctrl键并单击鼠标选择几个需要同时操作的元器件作为一组。
∙RotateGroup90：
按照定义的中心点旋转。
∙FlipGroup：
把一组元件以指定位置作镜像翻转到PCB板的另一面。
选择需要放置到PCB另一面的元件，单击鼠标右键，在弹出菜单中选择“FlipGroup”，移动鼠标指针到某一位置,单击鼠标左键，则选中的元件以此位置作镜像翻转到PCB板的另一面。
∙Align（对齐）：
以一个元件为基准行列对齐。
在PCB布局时，如果元件位置在板框内比较杂乱，设计者可以应用PADSLayout的对齐（Align）工具将几个元器件排列整齐，所选择的元件以最后选择的一个元件为基准进行横向对齐、纵向对齐或中心对齐等。
图10-17Alig……对话框
具体操作步骤如下：
9.应用Ctrl键选择需要整齐排列的一组元件。
10.单击鼠标右键，并在弹出的快捷菜单中选择Align命令，在工作区域弹出“Alig……”对话框，如图10-17所示。
11.在Alig……对话框中单击设计中需要的对齐方式命令，PADSLayout设计系统将以最后一个被选择的元件为基准自动地对齐。
如果没有选择DRC（设计规则检查），自动对齐不能保证元件之间应有的最小间距，是
设计者可运用Nudge（交互推挤）来保证元件之间应用的最小间距。
如果设计规则检查（DRC）设置在警示状态，或自动对齐过程中出现设计规则错误，则不能正确执行对齐操作，并会在状态窗口中出现错误信息。
注意
设计者对于物理设计复用（PhysicalDesignReuse）的部分不能进行对齐操作，当选择物理设计复用（PhysicalDesignReuse）的部分时，对齐命令（Align）无效。
（41）建立元件组合。
在PCB布局设计中，有许多关系密切的元件需要放在一起，如IC元件和它们的去耦电容等。
PADSLayout设计系统可以将它们组合在一起作为一个整体，这样就简化了设计操作，提高了设计者的工作效率。
下面以IC元件和它的去耦电容建立元件组合及操作为例，来逐一说明如何建立一个元件组合、如何删除一个元件组合，以及如何进行元件组合移动等。
建立元件组合的步骤如下：
12.应用查找命令找到IC元件U1，将其放在需要的位置，继续用查找命令找到与之对应的去耦电容，将其放在相关的管脚旁。
13.选择两个元件，U1和C1元件高亮显示。
14.单击鼠标右键，并在弹出的快捷菜单中选择CreateUnion命令，也可以利用快捷键Ctrl+G实现。
15.在弹出的Unionnamedefinition对话框中，输入组合的名字。
系统默认组合名字为UNI_1。
如图10-18所示。
图10-18Unionnamedefinition对话框
16.单击按钮
，完成组合操作。
删除一个元件组合
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