《计算机辅助设计课件》第9章 绘制PCB 板

1、 第九章 绘制PCB板 PCB设计的核心：一在于电气元件在线路板上合理的布局，二是布通铜膜走线。因此要合理的设置电路参数、合理的使用布局工具以及走线工具。 9.1 准备电路原理图和网络表 PCB设计的前提是准备电路原理图和网络表。 完成原理图设计后进行电气规则检查，在保证没有电气规则方面的错误后,在原理图编辑器中选择主菜单栏里的Design For Project/Protel菜单，建立电路的网路表文件。 完成电路原理图的设计和网络表的建立后，应创建新的PCB文件,进行PCB的各项参数设置,准备载入网络表和元器件封装。 PCB工作层面的设置。选择Design/Board Layers & Co

2、lors菜单项，打开Board Layers and Colors对话框：9.2 设置工作层面及其颜色9.3.1图面属性参数设置 印刷电路板图面属性参数设置包括栅格设置、电气栅格设置、尺寸单位设置等。选择Design/Board Options选项，打开Board Options对话框。9.3 设置电路板设计参数 电路板的设计参数包括图面属性参数，设计环境的系统参数。Snap Grid选项区域中的参数含意： X（Y）栅格设置，系统默认20mil。Component Grid选项区域设置元件移动的最小间距： X（Y）分别用来设置元件移动时候X轴和Y轴的最小间距。 Electrical Grid选

3、项区域中的参数含意： Electrical Grid设置是否显示电气栅格。电气栅格的作用与电路原理图设计中介绍的电气节点的作用相同，用来自动捕捉焊盘。Measurement Unit选项区域中的参数含意： Unit：度量单位。Imperial（英制）、Metric（公制）。9.3.2 系统参数设置 在印刷电路板窗口中选择主菜单栏里的Tool/Preferences.菜单。或选择右键菜单中的Options/Preferences.菜单。打开“电路板系统参数设置”对话框： Options选项卡：页面中包括Editing Options、Other、Autopan Options、Interacti

4、ve Routing和 Polygon Repour。 印刷电路板一般有严格的尺寸要求，需要根据电路板的内容定义电气边界，规划电路板尺寸，确定安装位置和电路板的边框。 PCB布局前，先创建印刷电路板的电气边界，从而确定电路板的板框。定义电路板框在Keep Out Layer层进行，由Keep Out Layer层上的轨迹线决定电路板的电气边界。 注意：只有设定了电气边界，才可以进行自动布局和自动布线操作。 规划电路板的方法有两种：利用PCB文件生成向导规划电路板；在电路板设计编辑器中规划电路板的电气边界。在编辑器中规划电路板电气边界的具体步骤： 新建一个PCB设计文件，在编辑器的恰当位置放置一

5、个相对原点,即坐标原点。设计电路板时，状态栏中指示的坐标值都以此来确定。 放置坐标原点的具体方法如下：单击放置工具栏中的图标，光标变成十字状，在设计编辑器的任意位置单击鼠标左键，确定相对原点。状态栏坐标将变成X：0mil，Y：0mil的显示状态。 切换设计板层，将Keep Out Layer（禁制层）设置为当前设计层。 确定电路板的边框。 编辑板框线的属性 立即切换至Top Layer或Bottom Layer。防止在禁制层上进行误操作。9.4 规划印刷电路板 9.5 引入网络表 网络表是连接电路原理图和PCB图的重要纽带，是PCB自动布线的依据。网络表指示了各元件间的连接关系，系统根据网络表

6、自动形成飞线连接具有相同网络序号的元器件引脚。引入网络表的过程就是引入元件封装的过程。 在原理图编辑状态下载入网络表和元器件封装； 选择主菜单栏里的Design/Update PCB菜单。进入电路原理图设计界面，选择主菜单栏里的Design/Update PCB菜单。 列表框中列出所有元器件以及相关网络。对话框底部有四个按钮：Validate Changes（检查错误）、Execute Changes（由原理图到PCB图的转换）、Report Changes（变化报告）以及Close（关闭）。点击Report Changes按钮，将弹出如图9.16所示的对话框。 图9.16 显示变化结果的表文

7、件 点击Execute Changes按钮，系统将把所有变化的元器件显示在印刷电路设计编辑器区域中。由图可以知道系统已经自动的将元器件的封装和网络表装入PCB文件中。9.6 元器件布局 完成网络表和元器件封装的载入工作后，进入元器件的布局和布线。这一部分的工作直接决定设计的电路是否能够可靠、正常的工作。这一部分工作需要理论与实践的结合，要掌握布局、布线的技巧。有三种设计方式：自动设计方式、手工设计方式和半自动设计方式。9.6.1 印刷电路板的自动布局 利用Protel DXP提供的各种自动布局工具完成电路板上元器件的布局和布线。这种方式可以缩短设计周期，采用这种方式设计的电路可用，但不够完美。

8、 采用自动布局工具的前提是要合理的设置自动布局的约束参数。自动布局参数设置直接关系到自动布局的最终结果。1自动布局的参数设置： 在PCB窗口中选择Design/Rules菜单命令。在对话框中选择Placement自动布局约束参数设置。共有6个设置参数： 设置空间范围（Room Definition）参数：点击右键选取New Rule建立新的规则，随后会打开如图9.21所示的对话框。在对话框中设计人员可以设定新的规则名称，设置新规则的使用范围。 设置元器件间距（Component Clearance）参数： 对Where the First object match和Where the Seco

9、nd object match两个选项区域中的参数设置。这两个区域中的参数用来限制参数的使用范围。 设置元器件放置层面（Permitted Layers）参数： 设置元器件放在顶层还是底层。就设计经验来说，双列直插的元器件放置在电路板的顶层，贴片元器件可以放置在顶层和底层两个层面上。 设置可忽略网络（Nets to Ignore）参数： 设置在自动布局时是否要考虑网络连接。 设置元器件高度（Height）参数： 设置自动布局时元器件的高度约束参数。有最低高度限制，最高高度限制和首选高度限制。 设置元器件放置方向（Component Orientations）参数：2自动布局参数设置 （1）执行

10、自动布局命令。在PCB窗口中选择Tools/Auto Placement /Auto Placer菜单命令。 系统提供了两种自动布局的模式：成组自动布局模式（Cluster Placer）和统计式布局模式（Statistical Placer）。 注意：成组自动布局模式适用于元器件数目小于100个的情况。元器件的数目相当庞大，建议采用统计式布局模式。 在成组自动布局模式下选择Quick Component Placement复选框后，将会获得较快速的布局结果，但不进行最优化处理。9.6.2 手工布局 印刷电路板的手工布局是在PCB编辑环境下以手工的方式将电路板上元器件放置到合理的位置。这种布局

11、方式虽然可以使设计出来的电路板品质达到完美阶段，但是费时、费力而且容易出错。只适合使用在元器件较少的场合。 手工布局应该从机械结构散热、电磁干扰和将来布线的方便与否等方面入手。 手工布局没有特定的步骤，一般按照相邻走线较多的元件就近放置，滤波电容靠近滤波元器件，模拟电路和数字电路不要混合布局等规则进行布局。 手工布局结束后要手工调整元器件的标号位置。利用鼠标左键拖动，结合空格键翻转、快捷键翻转标号的方位，修改元器件标号属性的方式完成。注意：如果手工布局模拟电路和数字电路混合的PCB板时，应该首先以模拟电路的工作特性和功能作为布局依据，而不是最短线的布局规则。 自动布局采用人工智能控制策略，布局

12、结果不够完美，设计的线路板能用但可能不合理。 手工布局由于设计者的经验和技巧，可以设计出完美的电路板，但是效率太低，并且出错的机率很大。 半自动布局设计即节省时间，又可设计出品质高的印刷电路板。半自动布局方式为系统提供的自动化布局与手工布局的结合，是目前最为流行的布局方式。 打开PCB编辑器； 调入网络表文件； 自动布局规则设置； 自动布局； 手工布局调整。 半自动布局，美观角度不如手工布局，电气特性应完全符合要求9.6.3 印刷电路板的半自动布局 系统提供两种方式来衡量布局的最终结果。9.7.1 3D仿真 3D仿真电路板显示（3D Viewer）。9.7 PCB板布局性能评定9.7.2 密度

13、分析 元器件运行中要发热，可能致使元器件工作不正常。如果由于电路板布局不当，某个区域内元器件布局密度过高，热量集中，就会降低这个区域内元器件的使用寿命，进而导致制作电路板的成品率不高或电路工作不稳定等一系列不良后果。 布局完成以后，必须要进行一次密度分析（Density Map）。系统会自动的将电路板上元器件密度过高的区域高亮显示出来。具体操作如下： 打开要进行密度分析的设计文件，选择主菜单栏里的Tools/Density Map功能选项进行密度分析。分析的最终结果通过不同的颜色来代表。绿色代表低密度，黄色代表中密度，而红色代表高密度。设计人员必须对过热区域进行仔细分析。不过密度分析仅仅是一个

14、参考依据，实际使用过程中，还需具体问题具体对待。 经过分析，手工布局的电路图完全符合密度要求。 布线是电子电路设计中最重要的工作，其结果决定所设计的结果能否形成产品。简单的、比较简单的电路板可以采用全自动布线，也可以采用纯手工布线。复杂的、比较复杂的电路，手工布线往往无法布通，需要采用自动布线完成。与布局类似，通常采用自动布线和手工布线结合的方式。 首先要合理的设置布线参数：布线基本参数设置（Routing）、贴片元器件参数设置（SMT）、助焊剂和阻焊膜参数设置（Mask）、层连接参数设置（Plane）。布线参数设置： 1.布线基本参数设置（Routing）。包括：铜膜走线宽带设置，飞线拓扑参

15、数设置、布线优先级参数设置、布线所在层参数设置、铜膜拐角参数设置、过孔设置和散开方式参数设置。9.8 电路板布线参数设置（1）设置布线时使用的铜膜走线宽度。Constrain选项区域中的各参数： Min Width：用来设置铜膜走线的最小宽带。 Max Width：用来设置铜膜走线的最大宽带。 Preference Width: 用来设置铜膜走线使用的优先宽度。 Characteristic Impendence Driven Width:设置铜膜的特性阻抗，设计人员可以设其为最小、最大和优先阻抗。 Layers in layerstack only: 设置显示模式，如果被选择将只显示堆栈层中

16、的电路板层，相反则显示所有的电路板层。 在整个线路板中，电源线必须比一般走线要宽，具体的宽度要根据电路板上走过的电流而定。特殊的数据线要进行特殊处理。 一般而言： 接地线宽 电源线宽 信号线宽 系统可以对不同的网络采用不同的走线宽带。 加宽设计规则设置：在Name文本框中填入VCC文本；在Where the First object match选项区域中的Net的下拉菜单中选择VCC；Full Query区域中显示InNet（VCC）；修改Constraints区域中的最小、最大以及优先采用的铜膜走线宽度。 完成上述设置后，系统在走线时会自动将VCC与一般走线区别开来。 拓扑方式： Short

17、est ：最短连接方式。 Horizontal：水平方向最短连接方式。 Vertical ：垂直方向最短连接方式。 （2）Routing Topology，设置飞线拓扑参数。 Daisy Simple拓扑方式：人为设定起点与终点，在起点与终点之间连通网络上的各个节点，连线最短。如果没有设定起点与终点，这种方式与Shortest拓扑方式相同。 Daisy MidDriven拓扑方式：设定原点为中心，向两边设定的终点连通网络上的各个节点，起点两边的中间节点数相同，连线最短。如果没有设定起点与两个终点，以及没有进行如此设定，这种方式与Daisy Simple拓扑方式相同。 Daisy Balance

18、d拓扑方式：设定起点与终点，飞线产生时中间节点数平均分配成组，组的数目和终点数目相等，一个中间节点与组和一个终点相连，所有的组连接到同一个起点上，起点间以串连最短的飞线连接。如果没有设定起点和终点，这种方式与Daisy Simple拓扑方式相同。 Startburst拓扑方式：网络间的每一个节点都直接与起点相连，如果系统指定了终点，那么终点不直接和起点相连；如果不指定起点，那么系统将轮流以每个节点作为起点去连接其它节点，找出连线最短的那一组作为网络的飞线。Constrain选项区域内各参数： Topology：选择布线使用的具体的拓扑方式。通过选择此下拉列表框中的各个具体的拓扑方式来改变当前使

19、用的拓扑方式。 （3）Routing Priority参数设置，设置布线优先级参数。 Constrain选项显示用于布线的优先次序，设定的范围从0到100，0代表最低优先级，100代表最高优先级。 （4）Routing Layers参数设置，设置布线所在层的参数。决定铜膜走线所在的具体板层，决定铜膜走线的大体走向。 Constrain选项设定布线层的层面，也设定铜膜走线的大体走向。一共有16个布线板层设置项，具体是：Not Used（该层不走线）、Horizontal（水平方向走线）、Vertical（垂直方向走线）、Any（任意方向走线）、1 OClock (一点钟方向走线)、2 OCloc

20、k (二点钟方向走线)、3 OClock (三点钟方向走线)、4 OClock (四点钟方向走线)、5 OClock(五点钟方向走线)、45Up（向上45度方向走线）、45 Down（向下45度走线）和Fan Out（以扇出方式走线）。其中Horizontal（水平方向走线）和Vertical（垂直方向走线）用于双面或多面板布线。剩余的方向走线用于单面板布线。 （5）Routing Corner参数设置，设置铜膜拐角参数。决定铜膜走线的转角方式。 Constrain选项区域中包含转角模式（Style）的设置，系统提供三种转角模式：45度角转角（45 Degrees）、90度角转角（90 Deg

21、rees）、圆弧转角（Rounded）。另外包含用于设置最小转角尺寸的Setback设置项。 （6）Routing Via Style参数设置，设置过孔参数。 Via Diameter：设置焊盘的直径，需要设置三个文本框值，它们分别用来设置最小直径（Minimum）、优先采用的直径（Preference）和最大直径（maximum）。 Via Hole Size：设置过孔导孔的直径，需要设置三个文本框的值，它们分别用来设置最小直径（Minimum）、优先采用的直径（Preference）和最大直径（maximum）。 注意：设置的过孔导孔的直径必须小于设置焊盘的直径。 Fanout Contr

22、ol散开方式参数设置。有5个设置子菜单： Fanout_BGA: 设置BGA封装的元器件铜膜布线的散开方式。 Fanout_Default: 设置默认的元器件铜膜布线的散开方式。 Fanout_LCC: 设置LCC封装的元器件铜膜布线的散开方式。 Fanout_Small: 设置小外形封装的元器件铜膜布线的散开方式。 Fanout_SOIC: 设置SOIC封装的元器件铜膜布线的散开方式。2. 贴片元器件参数设置（SMT）。 （1）SMD To Corner，贴片元器件焊盘引线长度参数设置。设置这一参数的原因是由于贴片元器件引脚间距非常小，无法从开始位置就进行拐弯布线，必须引出一段直线距离后才可

23、以进行拐弯操作。 参数只有一个Distance设置文本框，在此文本框中填入适当的距离就是设定的贴片元器件焊盘引线长度。注意文本框中填入的距离必须带单位。 （2）SMD To Plane，贴片元器件焊盘和内层连接参数设置，用于设置贴片元器件焊盘与内部电源层连接的过孔之间的引线的长度。这是因为贴片元器件焊盘与内部电源层只可以通过过孔连接。系统默认的设置贴片元器件焊盘与内部电源层连接的过孔之间的引线的长度为0mil，此处建议大家使用20mil以上的长度。3. 助焊剂和阻焊膜参数设置（Mask）。 （1）Solder Mask Expansion，阻焊膜扩展宽度参数设置。设置阻焊膜的扩展宽度，指焊盘预

24、留孔与焊盘的半径之差。 （3）SMD Neck Down，贴片元器件焊盘引线宽度参数设置，用于设置贴片元器件焊盘宽带。通过设置焊盘的百分比（不能忘记写百分号）来设置引线宽度。切记，焊盘的引线宽度不能太细，否则在焊接等过程中会引起断裂或剥落。 （2）Paste Mask Expansion，助焊剂扩展宽度参数设置。用于设置助焊剂的扩展宽度。 4. 层连接参数设置（Plane）。 设置穿过内部电源层的过孔或焊盘如何与电源内层进行连接，以及铺铜铜膜如何和焊盘连接。 （1）Power Plane Connect Style，内部电源层连接参数设置。通常内部电源层是整块的铜膜，如果有过孔或焊点穿过电源层

25、时，其连接方式和铺铜的连接方式相同。参数设置： Connect Style：设置内部电源层的连接方式。 Relief Connect：设置过孔与内部电源层连接通过几根连接线连接。 Direct Connect：设置过孔与内部电源层直接连接。 No Connect：过孔与内部电源层不连接。 Conductors：设置连接的电源层数。 Conductor Width：设置内部与电源层连接的连接线宽度。 Air-Gap：设置内部电源层连接处与焊盘之间存在的空隙。 Expansion：设置内部电源层连接处与焊盘之间的扩展距离。 注意：此项设置与下面的安全间距设置使用于多面板设计，单面板或双面板无需考虑

26、这些参数。 （2）Power Plane Clearance，内部电源层与穿过内部电源层的过孔或焊盘之间安全参数设置。用于设置内部电源层与焊盘或过孔之间的安全间距。 （3）Polygon Connect Stytle，铺铜铜膜和焊盘或过孔之间各参数设置。用于设置铺铜铜膜和焊盘或过孔之间基本参数。 各参数除去多了一个角度的设置，剩余部分基本与内部电源层连接参数设置对话框的Constrain选项区域内的各个参数相同，分别用来设置铺铜铜膜与焊盘之间的安全连接方式、连接线的根数以及连接线的宽度。 系统提供了5种布线策略：最优布线策略（Cleanup）、普通双面板默认的布线策略（Default 2 La

27、yer Board）、边缘有接插件的双面板默认的布线策略（Default 2 Layer With Edge Connectors）、多层板默认的布线策略（Default Multi Layer Board）和最小化多层布线策略（Via Miser）。9.9 自动布线 Protel DXP内集成了一个功能强大、超高品质的自动布线服务程序。如果想通过自动布线服务程序来获得满意的布线结果，除了要合理的设置布线参数，还要合理的设置自动布线策略。 注意：自动布线策略直接决定自动布线器是否能够正常工作，在不熟悉的情况下，轻易不要修改其中的参数。 系统提供了很多种自动布线方式：全局布线（All）、选定网络

28、布线（Net）、选定节点之间布线（Connection）、指定元器件布线（Component）、指定区域布线（Area）指定范围布线（Room）。9.10.1 设置布线设计规则 布线设置。设计规则设置项（Electrical）包含安全间距设置（Clearance）、短路安全参数设置（Short Circuit）和未布线网络设置（UnRouted Net）。 （1）安全间距参数设置对话框 Minimum Clearance:设置最小安全间距，在焊盘之间要进行走线，相应的安全间距要设置的小一点。 9.10 手工布线 手工布线是设计人员按照飞线指示的连接手工布置铜膜走线。布线方式灵活且美观，布线效率

29、低，容易出错。手工布线前必须要做好以下准备工作：合理设置在线设计规则进行实时检查的参数。手工布线时，如果不符合有关设计规则的铜膜走线将无法布置到电路板上，从而保证手工布置的铜膜走线都符合设计规则。 （3）未布线网络设置对话框。UnRouted Net检查指定网络内的网络是否布线成功，如果网络中有布线不成功的情况发生，则已布的铜膜走线保留，未布铜膜导线的地方保持飞线。 （2）短路安全参数设置。Short-Circuit Constraint复选框用来设置电路板上是否允许短路。（1）全局拆线（All）。（2）选定网络拆线（Net）。（3）选定节点之间拆线（Connection）。（4）指定元器件拆

30、线（Component）。（5）指定范围拆线（Room）。9.10.2 手工调整布线的相关技巧 完成了设计规则参数设置，就可以对简单的PCB板进行自动布线，手工布线或手工调整。如何调整现有的不合理的或不美观的走线。系统自带Un-Route 功能对现有的布局图进行走线调整。 Protel DXP系统提供了不同的拆线工具，包括全局拆线（All）、对选定网络拆线（Net）、对选定节点之间拆线（Connection）、对指定元器件拆线（Component）和对指定Room空间进行拆线（Room）。 整个过程是自动布线的逆过程。单面板设置设置在“PCB rules”/“Routing Layers”中进

31、行。Top layers设置为“any”；Bottom Layers设置为“Not Used”。 印制电路板的设计需要满足抗干扰问题，这是提高电路板电气特性的重要内容。设计的方法主要有铺铜操作、包地操作和补泪滴操作。9.11.2 包地 包地就是在某些选定的非常重要的输入信号走线或模拟信号走线周围有意的围绕一圈接地走线。从而达到保护这些特殊的信号走线不受到干扰信号的干扰。 操作方式是使用主菜单栏里的Edit/Select/Net菜单命令。切换至选取网络模式，用变成十字形状的鼠标左键选取要进行包地操作的网络。然后使用主菜单栏里的Tools/Outline Selected Objects菜单命令完

32、成包地操作。 Protel DXP在选定的网络周围环绕一圈铜膜走线，将其连接到GND网络上面。利用手工布线操作将其连接到GND网络上，也可以通过设置其网络属性为GND，然后利用自动布线将其连接到整个系统中。 注意：包地操作可能会导致违反设计规则的情况发生，所以必须使用DRC来验证电路板文件内容的完整性与规则性，必要情况下要调整元器件外形或其走线方式。 9.11 印制电路板设计高级操作9.11.3 补泪滴 每一个亲手调试过硬件电路板的设计人员，在调试过程中可能碰到焊盘脱落或与焊盘的走线出现断线的情况。主要是因为焊盘或过孔在钻孔后，因为承受了钻孔的压力而导致。可以通过加宽铜膜走线来避免这种情况发生

33、。另外，一旦加宽了焊盘与铜膜导线连接处的宽度，会使焊盘和铜膜走线的连接面变得较光滑，使腐蚀铜膜的化学药剂不至于在上面残留过多，从而提高焊盘和铜膜的连接效果。这样的处理即补泪滴。9.11.3 铺铜 现在设计的电路板一般主频都很高，电磁干扰强，如果对电路板不进行铺铜操作，那么整个电路板的接地面积过小，整个电路板的地电平会不稳定（存在很大的噪声），这样会混乱真实且有意义的信号电平，直接导致设计的电路板没有实用价值。有效的处理方法是对设计好的电路板进行铺铜。 9.12 设计规则检验 电路板设计完成后,必须进行设计规则检查DRC(Design Rules Check)。以确保设计的印刷电路板完全符合设计的规范要求。 Clearance：设置是否要进行安全间距的设计规则检查。Online为设置在设计的整个过程中实时进行检查。 Short-Circuit：设置是否要对短路的走线进行设计规则检查，其中Online也是用来设置在设计整个过程中是否要实时的进行检查。 Un-Route Net：设置是否要对没有布线的网络进行设计规则检查。此项没有实时检查的功能。 Un-Connect Pin：设置是否要对没有走线的元器件引脚进行设计规则检查。 设计规则检查的执行命令：Run Design Rule Chec