《电子CAD项目化教程》课件 项目5 稳压电源PCB设计

电子产品制图与制版5.1.1PCB设计的一般流程5.1.1PCB设计的一般流程使用AltiumDesigner原理图编辑器绘制原理图文件。设计原理图创建PCB文件、规划电路板生成网络表制作载入封装库元件布局元件布线设计规则检查生成报表文件存盘输出文件5.1.1PCB设计的一般流程1、设计电原理图可以使用向导来新建PCB文件，也可以使用菜单来新建PCB文件。新建的PCB文件一定要保存当前的项目工程文件中，即不能使其成为自由文件，否则在接下来的设计过程中会有错误出现。设计原理图创建PCB文件、规划电路板生成网络表制作载入封装库元件布局元件布线设计规则检查生成报表文件存盘输出文件2、创建PCB文件5.1.1PCB设计的一般流程5.1.1PCB设计的一般流程3、制作元件封装库设计原理图创建PCB文件、规划电路板生成网络表制作载入封装库元件布局元件布线设计规则检查生成报表文件存盘输出文件5.1.1PCB设计的一般流程4、生成网络表设计原理图创建PCB文件、规划电路板生成网络表制作载入封装库元件布局元件布线设计规则检查生成报表文件存盘输出文件5、元件布局设计原理图创建PCB文件、规划电路板生成网络表制作载入封装库元件布局元件布线设计规则检查生成报表文件存盘输出文件5.1.1PCB设计的一般流程6．元件布线设计原理图创建PCB文件、规划电路板生成网络表制作载入封装库元件布局元件布线设计规则检查生成报表文件存盘输出文件5.1.1PCB设计的一般流程7、设置规则检查设计原理图创建PCB文件、规划电路板生成网络表制作载入封装库元件布局元件布线设计规则检查生成报表文件存盘输出文件5.1.1PCB设计的一般流程8、生成报表文件设计原理图创建PCB文件、规划电路板生成网络表制作载入封装库元件布局元件布线设计规则检查生成报表文件存盘输出文件5.1.1PCB设计的一般流程9、存盘输出文件设计原理图创建PCB文件、规划电路板生成网络表制作载入封装库元件布局元件布线设计规则检查生成报表文件存盘输出文件5.1.1PCB设计的一般流程电子产品制图与制版5.1.2PCB中的基本组成元素5.1.2PCB中的基本组成元素5.1.2PCB中的基本组成元素元件封装是指元件焊接到电路板时所指的外观和焊盘位置5.1.2PCB中的基本组成元素元件的封装形式可以分成两大类，即针脚式元件封装和表面贴装式（SMT）元件封装，5.1.2PCB中的基本组成元素5.1.2PCB中的基本组成元素封装所包含的信息有多个：封装名称、外形尺寸、焊盘位置、钻孔位置和引脚定义等，如图5-6所示为2N3904三极管的封装。实际上，我们通常可以通过这些信息来选择封装的使用类型。5.1.2PCB中的基本组成元素2.电路板层（BoardLayers）AltiumDesigner为PCB提供了许多类型的层面，主要有信号层、内部电源→接地层、丝印

层、机械层和防护层等。AltiumDesigner软件板层切换面板

信号层主要是用来放置元件（顶层或底层）、导线和电气信号有关的对象。AltiumDesigner中提供了最多32个信号层，包括顶层（TopLayers）、30个中间层（Midlayer1.30）和底层（BottomLayers）。信号层的顶层主要用于布置元件，又称元件层；底层用于布线，也可放置元件；中间层只能用于布线。（1）信号层（SignalLayers）2.电路板层（BoardLayers）内部电源→接地层是专门用于连接电源和地的。AltiumDesigner17提供了16个内部电源→接地层。（2）内部电源→接地层（InternalPlanes）2.电路板层（BoardLayers）AltiumDesigner17版本中可以有32个机械层[Mechanical1～16]，机械层一般用于放置有关制板和装配方法的指示性信息，如电路板物理尺寸线、尺寸标记、数据资料、过孔信息、装配说明等信息。（3）机械层（Mechanical）2.电路板层（BoardLayers）为方便电路的安装和维修，在印制板的上下两表面印上所需要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等，这就称为丝印层。丝印层字符布置原则是：不出歧义，见缝插针，美观大方。在印制电路板上，放置PCB库元件时，该元件的编号和轮廓线将自动地放置在丝印层上。值得注意的是，此处仅显示了顶层丝印层“TopOverlay”，而底层丝印层“BottomOverlay”没有显示。（4）丝印层（SilkscreenLayers）电路板上的丝印层2.电路板层（BoardLayers）主要用于定义元件放置的区域。通常，在禁止布线层上放置线段(Track)或弧线(Arc)来构成一个闭合区域，在这个闭合区域内才允许进行元件的自动布局和自动布线。值得注意的是，如果要对部分电路或全部电路进行自动布局或自动布线，那么则需要在禁止布线层上至少定义一个禁止布线区域。（5）禁止布线层（Keep-OutLayer）2.电路板层（BoardLayers）

该层代表所有的信号层，在它上面放置的元件会自动放到所有的信号层上，所以可以通过该层，将焊盘或穿透式过孔快速地放置到所有的信号层上。（6）多层（Multi-Layer）2.电路板层（BoardLayers）又称为屏蔽层，屏蔽层包括阻焊层（SolderMask）和助焊层（PasteMask）。阻焊层用于焊接时，防止焊锡在电路板上不需要焊接的地方上扩张；助焊层用于焊接时增强焊盘的着锡能力。图中的TopPaste和BottomPaste就分别表示的是顶层和底层的阻焊层，而TopSolder和BottomSolder则分别表示顶层和底层的助焊层。（7）掩膜层（Mask-Layers）2.电路板层（BoardLayers）

焊盘的作用是放置焊锡、连接导线和元件引脚。焊盘是PCB设计中最常接触也是最重要的概念，但初学者却容易忽视它的选择和修正，在设计中千篇一律地使用圆形焊盘。选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。AD17在封装库中给出了系列不同大小和形状的焊盘，如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等，但有时这还不够用，需要自己编辑。为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。过孔有二种，即从顶层贯通到底层的穿透式过孔、从顶层通到内层或从内层通到底层的盲过孔以及内层间的隐藏过孔。3.焊盘(Pad)和过孔(Via)

也称铜膜走线，简称导线，用于连接各个焊盘，是印制电路板最重要的部分。印制电路板设计都是围绕如何布置导线来进行的。4.导线(Track)5.敷铜（PolygonPour）对于抗干扰要求比较高的电路板，常常需要在PCB上敷铜。敷铜可以有效地实现电路板的信号群蔽作用，提高电路板信号的抗电磁干扰的能力。通常敷铜有两种方式：一种是实心填充方式：另一种是网格状的填充。在实际应用中，实心式的填充比网格状的更好，建议使用实心式的填充方式。6.助焊膜和阻焊膜也就是前面讲到的掩膜层。各类膜不仅是PCB制作工艺过程中必不可少的，而且更是元件焊装的必要条件。按“膜”所处的位置及其作用，“膜”可分为元件面助焊膜和元件面阻焊膜两类。助焊膜是涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜，也就是在绿色板子上比焊盘略大的浅色圆。阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的板子适应波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。可见，这两种膜是一种互补关系。7.飞线（Connection）1、印刷电路板的作用与导线有关的另外一种线，常称为飞线，即预拉线，飞线是在引入网络表后，系统根据规则生成的用来指引布线的一种连线。飞线与导线有本质的区别，飞线只是一种形式上的连线。它只是在形式上表示出各个焊盘间的连接关系，没有电气的连接意义。导线则是根据飞线指示的焊盘间的连接关系而布置的，是具有电气连接意义的连接线路。

主要用于表示某一元器件的引脚与其他元器件的引脚之间的电气连接关系。每个网络都有一个唯一的网络名称，凡是网络名称相同的元器件引脚，均具有相同的电气连接关系，即它们都是连接在一根导线上的。8.网络（Net）电子产品制图与制版5.1.3PCB设计的一般规则

印刷电路板的设计是有效解决电磁兼容性问题的途径，它不仅可以减小各种寄生耦合，同时能做到简化结构、调试方便、美观大方和降低成本。印刷电路板的设计需要考虑到元件布局、布线等诸多因素，这些都是印刷电路板设计成功的关键。1.布局规则布局是印刷电路板设计的最关键环节之一，在布局时要遵循一定的规则。同时，在对印刷电路板进行布局之前，首先要对设计的电路有充分的分析和理解，只有在此基础之上才能做到合理、正确的布局。具体的布局规则如下：1.布局规则

在保证电气性能的前提下，元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列，以求整齐、美观，一般情况下不允许元件重叠，元件排列要紧凑。大而重的元器件尽可能安装在印刷板上靠近固定端的位置，并降低重心，以提高机械强度和耐振、耐冲击能力，以及减小印刷板的负荷变形，如图所示。（1）整体布局要美观大方、疏密恰当和重心平稳1.布局规则

通常按照信号的流程逐个安排各个功能电路单元的位置，以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它进行布局。元件的布局应便于信号流通，使信号尽可能保持一致的方向。多数情况下，信号的流向要按照信号的顺序排列，安排输入、输出端，应尽可能远离，输入与输出之间用地线隔开。（2）按照信号走向布局1.布局规则

对辐射电磁场较强的元件，以及对电磁感应较灵敏的元件，应加大它们相互之间的距离或加以屏蔽，元件放置的方向应与相邻的印制导线交叉。尽量避免高低电压器件相互混杂、强弱信号的器件交错在一起。对于会产生磁场的电感器件，如变压器、扬声器、继电器和电感等，布局时应注意减少磁力线对印制导线的切割，相邻元件磁场方向应相互垂直，减少彼此之间的耦合，如图5-10所示。（3）防止电磁干扰1.布局规则（4）抑制热干扰

对于发热元件，应优先安排在利于散热的位置，必要时可以单独设置散热器或小风扇，以降低温度，减少对邻近元件的影响。一些功耗大的集成块、大或中功率管、电阻等元件，要布置在容易散热的地方，并与其它元件隔开一定距离，如图5-11所示。1.布局规则（5）可调元件的布局对于电位器、可变电容器、可调电感线圈或微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求，若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应；若是机内调节，则应放置在印制电路板便于调节的地方，如图5-12所示。1.布局规则

布线是PCB设计的最关键因素之一，也是整个PCB设计中工作量最大和耗时最长的部分，可以说，布线设计质量的好坏，直接关系到了PCB设计的成败。PCB的布线规则比较复杂，具体的设计规则根据电路的性质而有所不同，比如高速板、低速板，数字电路和模拟电路，以及电路板的复杂程度等，要求不一。对于复杂电路，要求就多，而对于简单电路，就没有太多的要求，只要布通率达到百分之百、满足电气要求就可以了。1.布线规则（1）地线的布设①选择正确的接地方式当电路工作在低频时，可采用“一点接地”的方法，每个电路单元都有自己的单独地线，因此不会干扰其他电路单元，如图所示就是典型的一点接地方式。在实际布线时并不能绝对做到，而是使它们尽可能安排在一个公共区域之内。当电路工作在频率10MHz以上时，即高频状态，就不能采用一点接地的方法，而是采用多点接地。1.布局规则②数字地与模拟地分开电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地；高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗。高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔,要尽量加大线性电路的接地面积。1.布局规则（1）地线的布设③接地线应尽量加粗采用短而粗的接地线，增大地线截面积，以减小地阻抗，如图所示。如有可能,接地线的宽度应根据电路板的实际大小尽量的大。此外，根据电路电流的大小，也应该相应加粗电源线宽度，以减少环路电阻。1.布局规则（1）地线的布设（2）印制焊盘和印制导线①焊盘的尺寸和形状焊盘的尺寸取决于焊接孔的尺寸，焊盘直径应大于焊接孔内径的2～3倍，但不宜过大，焊盘过大易形成虚焊。焊盘形状的选用没有太具体的规则，一般多选择圆形，也可根据需要选择正方形、椭圆形和八角形等。1.布局规则1.布局规则②导线宽度、导线间距和导线的形状

导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5mm、宽度为1mm～15mm时,通过2A的电流,温升不会高于3℃。因此，导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02mm～0.3mm导线宽度。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，可使间距小于0.1mm～0.2mm。（2）印制焊盘和印制导线对于导线的形状，应走向平直，不应有急剧的弯曲和出现夹角，拐弯处通常采用圆弧形状，而直角或锐角在高频电路中会影响电气性能；导线要尽可能避免采用分支，如必须有，分支处应圆润，具体可参照图。电子产品制图与制版5.1.4PCB编辑器介绍

可以执行菜单命令“View”→“Toolbars”→“PCBStandard”打开或关闭主工具栏。实用工具栏如图5-19所示。PCB的主工具栏与原理图的主工具栏功能基本一致，可以参照表2-1，这里就不详细介绍了。（1）主工具栏1.工具栏的使用图5-19PCB标准工具栏可以执行菜单命令“View”→“Toolbars”→“Utilities”打开或关闭实用工具栏。实用工具栏如图5-20所示。实用工具栏包含多个子菜单选项：实用工具、调准、电源、数字式设备、仿真式电源、网格六个子菜单。实用工具栏的按钮功能如表5-1所示。（2）实用工具栏图5-20PCB实用工具栏1.工具栏的使用可以执行菜单命令“View”→“Toolbars”→“Wiring”打开或关闭配线工具栏。配线工具栏如图5-21所示。配线工具栏的按钮功能如表5-2所示。（3）配线工具栏图5-21PCB配线工具栏1.工具栏的使用设计工作人员在设计线路图时，往往需要对编辑区的工作画面进行缩放或局部显示等，以方便设计者编辑、调整。实现的方法比较灵活，可以执行命令，可以单击主工具栏里的图标，也可以使用快捷键。实际上PCB图形的缩放操作与原理图文件的缩放操作一样，可以执行菜单里的命令或单击主工具栏里的按钮，也可以使用快捷键进行缩放操作。编辑区的放大、缩小：按下“Ctrl”键不放，转动鼠标中间转轮可实现显示状态的自由缩放。或者，按“PageUP”和“PageDown”键，实现编辑区的放大和缩小显示状态。更新：如果显示画面出现杂点或变形时，按“End”键后，程序会更新画面，恢复明确的显示图形。2.编辑器界面缩放电子产品制图与制版5.1.5PCB编辑器环境设置1.板参数选项设置在PCB设计环境下，执行菜单命令“设计”→“板选项”，弹出“板选择”对话框。该对话框中主要包括有度量单位、图纸位置、标识显示、布线工具路径和捕获选项。其中，度量单位选项，系统提供了两种度量单位，即Imperial（英制）和Metric（公制），系统默认为英制。除了计量单位一般选择公制毫米外，其他采用系统默认设置就可以了。“PCB板选择项”对话框

度量单位选项1.板参数选项设置执行菜单命令“工具”→“优先选项”，弹出“参数选择”对话框，在左侧设置栏中我们可以看到，AD中的参数设置分为11个类别，分别为系统设置、数据管理、原理图设置、FPGA开发设置、嵌入式系统设置、PCB编辑器设置、文本编辑器设置、脚本语言开发设置、计算机辅助制造设置、仿真设置和波形设置，其中覆盖了电气、布线、制造、放置和信号完整性要求等。由于这些设置选项较多，而我们并不需要对所有选项进行修改，故大部分采用系统默认设置即可。.这里我们介绍下“PCB编辑器”的选项设置。“优先选项”对话框选择“PCB编辑器”选项打开，我们可以对展开的“常规设置”、“显示”、“板透视显示”等15个标签内容进行设置。其中最重要的“常规”参数选项，主要用于完成各种编辑功能的设置，共有11个复选框。主要的设置选项有“编辑选项”、“其他选项”、“自动水平扫描选项”和“重新铺铜”等几个模块。下面我们来看一下。1.板参数选项设置在线DRC：SnapToCenter：智能元件捕获：双击运行检查：移除复制品：确认全局编译：保护锁定的对象：单击清除选项：移动点击到所选：智能TrackEnds：1.板参数选项设置主要用于用来设置光标类型、元件移动，以及取消、重做、旋转角度等属性的设置。这里的光标类型我们一般选择大十字光标，更有利于PCB的设计。（2）“其他”选项卡1.板参数选项设置用来设置自动移动功能，主要是系统提供了如下所讲解的7种移动模式，并可设置其移动速度和移动速度单位。（3）自动扫描选项1.板参数选项设置用来设置交互布线中避免障碍和推挤的布线方式。当多边形被移动时，它可以自动或根据设置调整以避免障碍。“重新铺铜”提供Always、Never和Threshold

3种方式。如果选择Always选项，则在已铺铜的PCB中修改走线时，铺铜会自动重覆；如果选择Never选项，则不采用任何推挤布线方式；如果选择Threshold选项，则设置了一个避免障碍的“阀值”，假如超过了该值后，铺铜区才能被推挤。（4）“重新铺铜”选项卡1.板参数选项设置电子产品制图与制版5.2.1创建PCB文件5.2.2载入网络表5.2.1创建PCB文件1．创建一个PCB项目文件，将其更名为“稳压电源电路.PRJPCB”可以执行菜单命令“View”→“Toolbars”→“Utilities”打开或关闭实用工具栏。实用工具栏如图5-20所示。实用工具栏包含多个子菜单选项：实用工具、调准、电源、数字式设备、仿真式电源、网格六个子菜单。实用工具栏的按钮功能如表5-1所示。（2）实用工具栏1.工具栏的使用图5-20PCB实用工具栏可以执行菜单命令“View”→“Toolbars”→“Wiring”打开或关闭配线工具栏。配线工具栏如图5-21所示。配线工具栏的按钮功能如表5-2所示。（3）配线工具栏图5-21PCB配线工具栏1.工具栏的使用设计工作人员在设计线路图时，往往需要对编辑区的工作画面进行缩放或局部显示等，以方便设计者编辑、调整。实现的方法比较灵活，可以执行命令，可以单击主工具栏里的图标，也可以使用快捷键。实际上PCB图形的缩放操作与原理图文件的缩放操作一样，可以执行菜单里的命令或单击主工具栏里的按钮，也可以使用快捷键进行缩放操作。编辑区的放大、缩小：按下“Ctrl”键不放，转动鼠标中间转轮可实现显示状态的自由缩放。或者，按“PageUP”和“PageDown”键，实现编辑区的放大和缩小显示状态。更新：如果显示画面出现杂点或变形时，按“End”键后，程序会更新画面，恢复明确的显示图形。2.编辑器界面缩放电子产品制图与制版5.2.2载入网络表

本例参照图5-32所示的元件布局进行手动布局操作，不同的设计者根据自己的理解不同可能会有多种不同的布局结果，但都要遵守一定的设计规则，例如本项目中，三端稳压块LM317往往带有散热片，因此它的背面要朝外，将散热片的安装位置留出。需要注意的是：往往元件的布局不是一次性能完成的，往往还要结合布线的情况来不断调整元件的布局，两者相互结合调整，最终才能得到满意的布局效果。布局完成后效果图电子产品制图与制版5.2.4PCB元件布线在布线时，单击“Wiring”工具栏上的按钮，或执行菜单命令“Place”→“Track”，即可进行线路的连接。（1）本任务中采用单面布线，PCB单面布线的布线层为BottomLayer，故在工作区的下方单击“BottomLayer”标签，选中工作层为BottomLayer。如图5-33所示。图5-33布线层选择按钮

（2）在电路工作区中单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“SnapGrid”子菜单，屏幕弹出栅格设置对话框，从中可以选择捕获栅格尺寸，本任务中选择0.500mm，如图5-34所示。（3）单击实用工具栏中按钮进入实用工具子菜单后，单击按钮进入放置PCB导线状态，系统默认放置线宽为10mil的连线，若在放置连线的初始状态时，单击键盘上的<Tab>键，进入“Track”对话框可以修改线宽和线的所在层，本项目中可以选择线宽为60mil，如图5-35所示。图5-35“线约束”对话框（4）在放置印制导线过程中，同时按下<Shift>+<空格>键，可以切换印制导线转折方式，共有六种，分别是45°、弧线、90°、圆弧角、任意角度和1→4圆弧转折，如图5-36所示。（5）按照原理图的电气连接将PCB的元件用导线连接起来，下面以U1与C3印制导线连接方式为例进行讲解。按照上述步骤将其余的印制导线依次绘制好，印制导线在第一次设置好之后，下次绘制采用上次设置值，因此在后面的印制导线的绘制时就不需要单独修改线宽。但在印制板设计中，一般电源线和地线要加宽一些。本实例中地线以及电源端口采用100mil线宽绘制。手工布线完成后的稳压电源PCB如图5-41所示。图5-41布线完成后的稳压电源PCB效果对于布线中大小尺寸及形状不合适的焊盘，可以单独对焊盘做参数设置修改。如图5-42所示，在本例中所采用的D1、D2二极管封装其中一个焊盘形状为矩形。在布线时，矩形焊盘可能会导致导线不能完全覆盖而导致出现尖角，既不美观也不符合布线规则，我们可以通过手工设置方式进行修改，修改成圆形后的效果如图5-43所示。具体方法如下：2.修改焊盘鼠标指向需要修改的焊盘，双击左键弹出如图5-44所示“Pad”对话框，或者在放置焊盘的状态下按“Tab”键，也可弹出对话框。图5-44“焊盘属性”对话框2.修改焊盘（1）首先用鼠标单击“Wiring”工具栏中的放置焊盘命令按钮，或执行菜单命令“Place”→“Pad”。（2）执行该命令后，光标变成了十字形状，将光标移到所需的位置，单击鼠标，即可将一个焊盘放置在该处。（3）将光标移到新的位置，按照上述步骤，再放置其它焊盘，双击鼠标右键，光标变成箭头后，退出该命令状态。（4）用户还可以在此命令状态下单击“Tab”键，进入如图3-22所示的“Pad”对话框，做进一步的修改。3.放置焊盘在PCB板布局整理后，发现原电路图中并没有设置直流电源输出端，须添加2个焊盘分别表示直流正极与负极。方法如下：（5）单击Multi_Layer工作层，在多层上分别放置2个焊盘，双击任意焊盘弹出“Pad”对话框，在此对话框中的“Net”选项中分别选择接地网络GND和C3_1网络，系统会自动的为这2个焊盘添加飞线。添加好的效果如图5-46所示。用鼠标单击绘图工具栏中的按钮，或执行菜单命令“Place”“String”。执行命令后，光标变成了十字形状，在此命令状态下，单击“Tab”键，会出现如图5-47所示的“String”属性对话框，在这里可以设置字符串的内容、