(电子产品案例实践)第5章印刷电路板(PCB)设计

第5章印刷电路板(PCB)设计5.1印刷电路板设计根底5.2印刷电路板(PCB)编辑器5.3印刷电路板的规划5.4导入网络表5.5元件布局5.6PCB布线5.7DRC校验小结5.1印刷电路板设计根底

1.PCB设计步骤

(1)规划电路板。

(2)设置系统各种参数。

(3)加载需要的PCB元件封装库和网络表。

(4)元件的布局与布线。

(5)设计规那么检查(DRC校验)。2.PCB层的分类及其功能

Protel99SE的PCB设计中包括多种工作层面，可放置不同的信息以实现各种功能，这已经在第4章4.1节层的概念中作了大致的介绍。在设计PCB板时，首先要设置电路板的类型，实际上就是设置电路板的工作层。

在PCB文件编辑器(5.2节将作详细介绍)中，选择菜单Design|Options命令并执行，即可翻开工作层设置窗口，如图5.1所示。图5.1工作层设置窗口1) Signallayers(信号层)

信号层是用来完成印制电路板铜箔走线的布线层。信号层中的顶层和底层主要用于放置元件和信号的走线，中间层用于放置信号的走线。在设计双面板时，一般只使用TopLayer和BottomLayer两层，当印刷电路板层数超过4层时，就需要使用MidLayer(中间布线层)，图5.2所示为信号层图例。图5.2信号层2) Internalplanes(内部电源/接地层)

Protel99SE提供了4种内部的电源和接地层，分别为plane1～plane4。内部电源/接地层主要用作4层以上印刷电路板中的电源和接地专用布线层，双面板中不需要使用。3) Mechanicallayers(机械层)

Protel99SE系统提供了16个机械层Mechanical1～Mechanical16。机械层是印刷电路板中承载电气线的绝缘层。我们可以在任何一个机械层上确定电路板的物理边界，如图5.3所示，而在其他的机械层上放置有关制作和装配的示意信息，如外形尺寸、数据标记、对齐标记、装配说明以及其他机械信息等。图5.3机械层(Mechanical1)上确定物理边界4)钻孔位置层

Protel99SE提供两个钻孔位置层，包括Drillguide钻孔说明和Drilldrawing钻孔图两层。该层主要用于绘制印刷电路板上的钻孔尺寸、钻孔形状和钻孔位置等电路板制造过程中的钻孔信息。5) SolderMask(阻焊层)

阻焊层上绘制的是PCB板上的焊盘和过孔周围的保护区域。Protel99SE提供了两个阻焊层，分别是TopSolder(顶层阻焊层)和BottomSolder(底层阻焊层)。为了让电路板适应波峰焊等机器的焊接形式，要求电路板上非焊接处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各部位都涂覆一层涂料，如防焊漆(俗称绿油)，用于阻止这些部位上锡。阻焊层用于在设计过程中匹配焊盘，是自动产生的，是PCB上的绿色或是棕色层面，如图5.4所示，它是绝缘防护层，可以保护铜线防止被氧化，也可以防止元器件被焊到不正确的地方。图5.4具有绿色或棕色层面的阻焊层6) PasteMask(助焊层)

助焊层也称锡膏保护层，没有涂绝缘防护层，可看到露在外面的铜箔，能够上锡，是具有焊接性能的层面，与阻焊层是一种互补关系。Protel99SE提供了两个助焊层，分别是TopPaste(顶层助焊层)和BottomPaste(底层助焊层)。助焊层主要用于有表贴式元器件的印刷电路板，当使用“hotre-follow(热对流)〞技术来安装SMD元件时，锡膏防护层那么主要用于建立阻焊层。7) Silkscreen(丝网印刷层)

丝印层主要用于标识各元器件在板子上的位置，绘制相关文字说明和图形说明，如元器件的外形轮廓、元件标号和标称值以及厂家标志、生产日期等各种注释字符等。人们根据各元器件标识在板子上的位置，可方便地安装和维修元器件。Protel99SE提供了TopOverlay(顶层丝印层)和BottomOverlay(底层丝印层)两层，如图5.5所示。一般各种标注字符都设置在顶层丝印层，底层丝印层可关闭。图5.5丝印层8) Keepout(禁止布线层)

Protel99SE提供了一个禁止布线层，用于定义在电路板上能够有效放置元件和布线的区域。设置该层的目的是：通过在此层上布置走线形成一个闭合的区域作为布线有效区，在该区域之内可以进行自动布局和布线。禁止布线层一般比电路板的机械外形略小一些。9) Multilayer(多层)

电路板上直插式焊盘和穿透式过孔要穿透整个电路板，为不同层的导电图形建立电气连接关系，因此系统专门设置了一个抽象的层——Multilayer(多层)。一般直插式焊盘和穿透式过孔都默认设置在多层上，如果关闭此层，焊盘与过孔就无法显示出来。10) Other(其他层)

剩下的层归结起来共有5层，用户可在System操作框中进行设置。5.2印刷电路板(PCB)编辑器

1. PCB编辑器概述

在该Documents文件夹中执行菜单命令File|New，或在工作窗口空白处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择New选项，新建PCB文件PCB1.PCB。我们需要绘制的小音箱印刷电路板图就在这个PCB1.PCB文件中完成，新建后的结果如图5.6所示。图5.6新建文件PCB1.PCB图5.7PCB编辑器窗口2.放置PCB工具栏

Protel99SE的PCB编辑器的放置PCB工具栏提供了多种绘图工具，选择View | Toolbars | PlacementTools菜单命令，可以显示或者关闭浮动的放置PCB工具栏。采用主菜单命令Place和快捷键B+P命令同样可以启动绘图工具，翻开的放置PCB工具栏如图5.8所示。图5.8放置PCB工具栏

3.快捷键操作

PageUp键：放大元件编辑界面。

PageDown键：缩小元件编辑界面。

空格键：按住鼠标左键，按空格键可以90°旋转当前鼠标选中的内容。

X键：按住鼠标左键，按X键可以水平旋转当前鼠标选中的内容。

Y键：按住鼠标左键，按Y键可以垂直旋转当前鼠标选中的内容。

Tab键：按住鼠标左键，按Tab键可以设置当前鼠标选中内容的属性。Ctrl+X键：按住鼠标左键拖动，可选中多个元件，按Ctrl+X键，光标变成十字形时点击鼠标左键可以剪切选中的内容。

Ctrl+C键：按住鼠标左键拖动，可选中多个元件，按Ctrl+C键，光标变成十字形时点击鼠标左键可以复制选中的内容。

Ctrl+V键：按住鼠标左键拖动，可选中多个元件，按Ctrl+V键，光标变成十字形时点击鼠标左键可以粘贴选中的内容。Delete键：移动鼠标到要删除的内容处，单击鼠标左键选中，按Delete键，可删除该内容。

Shift+Delete键：按住鼠标左键拖动，可选中多个元件，按Shift+Delete键，光标变成十字形时点击鼠标左键可以删除选中的内容。5.3印刷电路板的规划

1.手动规划PCB

首先规划PCB的物理边界，对PCB的要求通常是公司或制造商提出的，包括角标、参考孔位置、外部尺寸等。我们一般在机械层中的Mechanical4层上确定电路板的物理边界，而在其他机械层上放置尺寸、对齐标志等。对于小音箱PCB电路板来说，由于设置是自行设计的，没有外观等要求，因此根据元件的大小和个数规划PCB电路板的大小为100mm×

50mm(换算微英寸单位约为：3930mil × 1970mil)。图5.9机械层管理器图5.10工作层设置窗口图5.11绘制电路板物理边框图5.12绘制电路板电气边界图5.13电路板尺寸标注设置

2.自动向导规划PCB

Protel99SE提供向导，可以在向导中进行规划自动生成PCB。一般我们推荐使用这种方法规划PCB。图5.14自动向导规划PCB图5.15标准板型设置窗口图5.16自制电路板边框设置窗口图5.17电路板信息编辑窗口图5.18板层设置窗口图5.19孔类型设置窗口图5.20布线原那么设置窗口图5.21电气线和焊盘设置窗口图5.22规划向导生成的电路板5.4导 入 网 络 表

1.加载PCB元件封装库

双击翻开PCB2.PCB文件。在PCB编辑器中，BrowsePCB选项卡中Browse选择Libraries，在Libraries选项中默认

加载AdvPcb.ddb中的PCBFootprints.lib元件封装库。点击Add/Remove…按钮，添加TDA2030A.ddb设计数据库，将PCBLIB.LIB元件封装库文件加载到PCB2.PCB文件中，加载完毕后如图5.23所示。图5.23加载PCBLIB.LIB元件封装库

2.网络表文件导入网络表

我们在第4章中生成了原理图Sheet1.Sch的网络表文件Sheet1.NET。该网络表中包括元件封装、引脚和引脚间的电气连接。执行菜单Design|LoadNets，弹出导入网络表窗口，如图5.24所示。图5.24导入网络表窗口图5.25网络表加载对话框图5.26网络表导入完成3.同步器装载网络表

上面介绍的网络表文件装载方法，要求我们要先将原理图生成相应的网络表文件，而用同步器装载的方法可以直接将原理图文件中的网络表和元件封装装入PCB文件，不必由原理图生成网络表文件，这样就大大简化了设计过程。但要注意的是，要在原理图所在的同一设计数据库中创立一个PCB文件，并预先装入所需的全部PCB元件封装库。图5.27目标文件选择窗口图5.28同步设置窗口图5.29查看网络表加载图5.30利用同步器完成网络表导入4.装载网络表的错误

1)原理图中未定义元件封装形式

错误描述：FootprintnotfoundinLibrary。

错误原因：①在电路原理图中，元件没有指定封装形式；②在PCB编辑器中没有添加含有所需封装元件的元件库。

处理方式：①翻开网络表文件查看哪些元件未定义封装，并直接在网络表中对该元件增加封装，或者在原理图中找到相应的元件，双击该元件，在弹出的属性对话框中的Footprint栏中填入相应的元件封装；②在PCB编辑器中，执行菜单命令Design|Add|RemoveLibrary…，在弹出的对话框中，指定所需的PCB元件库，将它添加到当前的PCB编辑器中。2) PCB封装定义的名称不存在

错误描述：Footprint××notfoundinLibrary。

错误原因：①PCB元件库中没有对应元件的封装图，如PCBFootprint.lib中没有小型发光二极管LED可用的元件封装；②原理图中将元件的封装形式写错，如电解电容的封装形式RB0.2/0.4错写为。

处理方式：①编辑PCBFootprint.lib文件，创立LED的元件封装，然后执行更新PCB命令；②返回原理图，仔细核对原理图中元件封装名称是否和PCB元件库中的名称一致。3)没有找到元件

错误描述：Componentnotfound。

错误原因：AdvPcb.ddb文件包内的PCBFootprint.lib文件中包含了绝大多数的元件封装，但如果原理图中某个元件封装形式特殊，PCBFootprint.lib文件库找不到，那么需装入非常用的元件封装库。

处理方式：在设计文件管理器窗口内，单击PCB文件图标，进入PCB编辑状态，通过“Add/Remove〞命令装入相应元件封装库。4)没有找到结点

错误描述：Nodenotfound。

错误原因：①指定网络中多了并不存在的节点；②元件管脚名称和PCB库中封装的管脚名称不同；③原理图中给定的元件封装和对应的PCB封装名称不同。处理方式：对于①、③，可回到原理图中删除多余节点，将原理图中的元件封装修改成和对应的PCB封装名称一致。对于②，由于原理图中元件库定义的元件管脚名称与PCB封装定义的管脚名称不同，导致装入错误。回到原理图库中重新编辑元件的封装，使元件管脚数与PCB中封装管脚数、管脚名一致或者直接编辑PCB库中元件的管脚名称，使之与原理图中一致；如MiscellaneousDevices.1ib库中的二极管和三极管，其管脚的定义与PCB库中相应封装的管脚的定义不一致而导致出错。如二极管中管脚定义为：A、K，假设使用PCB通用库PCBFootprint.lib封装Diode0.4、Diode0.7，而封装焊盘号定义却为1、2，所以装入此元件时就会发生二极管连接关系丧失现象。解决方法是修改原理图库的管脚号或PCB库中的元件的焊盘号，使之相互对应。5)网络已经存在

错误描述：Netalreadyexists。

错误原因：①某个宏操作试图添加的网络名与PCB网络表中已有的网络名重名；②原理图中隐藏的管脚信息网络点和其他网络点命名重复。

处理方式：对于①，可翻开原理图文件，对照原理图修改重复的网络名或删除多余的网络名；针对②，可翻开原理图文件，找到出错的网络连接点，然后翻开元件属性对话框，选中其中的HiddenPin，这时可观察到隐藏元件管脚信息网络点，然后调整与之相同的网络连接点，使其属于不同的节点即可。

5.重新导入网络表

当PCB文件中已经装载了网络表，然后又修改了原理图需要重新导入网络表的时候，出现元件封装匹配表，如图5.31所示。图5.31元件封装匹配表5.5元件布局

1.元件自动布局

如果加载网络表后直接进行自动布局，系统将使用缺省的自动布局参数。用户也可以在进行元件的布局之前，根据电路设计的实际情况对局部自动布局参数进行预先设置，以使得自动布局的结果更符合要求。首先调用菜单Design|Rules，弹出设置窗口。在设置窗口中切换到Placement自动布局选项卡，可对元件布局设计规那么进行设置，但要注意：它只适合于ClusterPlacer自动布局方式。设置窗口中的自动布局设置选项卡如图5.32所示。图5.32自动布局设置选项卡1)设置ComponentClearanceConstraint

图5.32默认整个PCB上所有元件间最小间距Gap为10mil。可以点击Add或Delete按钮添加或删除间距约束，或者点击Properties修改元件间距约束，翻开的约束窗口如图5.33所示。图5.33元件间距约束窗口2)设置ComponentOrientationsRule

点击Design|Rules，在设置窗口中切换到Placement选项卡点击ComponentOrientations，可以设置元件的方向约束。点击Add或Delete按钮添加或删除元件方向约束，或者点击Properties修改元件方向约束，翻开的方向约束窗口如图5.34所示。图5.34元件方向约束窗口3)设置NetstoIgnore

指定当使用成群方式布局时可以忽略网络。忽略网络可以加快自动布局的速度和提高布局质量，例如忽略电源网络可以提高自动布局的质量。4)设置PermittedLayersRule

指定允许放置元件的工作层。在所有的工作层中，只有顶层和底层能够放置元件，因此在这里只需要设置这两层中哪一层(或者全部)可以放置元件。

5)设置RoomDefinition

用于设置定义房间的规那么。6)自动布局

设置自动布局的参数之后，就可以执行自动布局的操作了。选择Tools|AutoPlacement|AutoPlazer菜单功能，弹出自动布局窗口，如图5.35所示。图5.35自动布局窗口2.手动调整元件布局

从自动布局的结果可以看出，系统在自动布局时没有充分利用布局区域的空间，元件位置放置不合理。一般来说，小型电路板的布局直接手动进行，可以采用拖动、旋转等操作对元件进行合理布局，布局时遵循元件就近放置、横平竖直两大原那么。图5.36散热器及安装孔尺寸图5.37小音箱电路元件布局5.6PCB布线

1.布线参数设置

一般来说，用户先根据电路板布线的需求来预置布线设计规那么，此规那么设定得是否合理将直接影响布线的质量和成功率。设置完布线规那么后，Protel99SE自动布线器将依据这些规那么对PCB进行自动布线。

首先调用菜单Design|Rules，弹出设置窗口。在设置窗口中切换到Routing自动布线选项卡，可对自动布线规那么进行参数设置，设置窗口中的自动布线设置选项卡如图5.38所示。图5.38自动布线设置选项卡1)走线间距约束

选中RuleClasses下拉列表框中的ClearanceConstraint，设置走线与其他对象(如焊盘)之间的最小距离。双击该项(或单击“Properties...〞按钮)可弹出如图5.39所示的ClearanceRule对话框，在此设定走线间距约束。图5.39走线间距约束设置对话框2)布线拐角样式设置

选中RuleClasses下拉列表框中的RoutingCorners，双击该项(或单击“Properties...〞按钮)可弹出如图5.40所示的RoutingCornersRule对话框，可以设置布线拐角样式。图5.40布线拐角样式设置对话框3)布线工作层约束设置

选中RuleClasses下拉列表框中的RoutingLayers，在自动布线过程中设置哪些信号层可以使用。双击该项(或单击“Properties...〞按钮)可弹出如图5.41所示的RoutingLayersRule对话框。图5.41布线工作层约束设置对话框4)走线宽度的设置

走线宽度设置主要设置自动布线中走线的最小和最大宽度。

选中RuleClasses下拉式列表框中的WidthConstraint，双击该项(或单击“Properties...〞按钮)可弹出如图5.42所示的Max-MinWidthRule对话框。布线宽度可以按网络名分别设置，一般来说电源VCC和接地GND的布线宽度可以设定得粗一些，其他的走线可以设定得细一些。在小音箱电路板里，由于功率和工艺的问题，所有的电气走线都设置为40mil。图5.42走线宽度的设置对话框2.自动布线

自动布线除了提供上面的自动布线设计规那么参数设置外，还提供一些布线合格性的选项设置。执行AutoRoute|All命令，那么进入自动布线器的参数设置对话框如图5.43所示。图5.43自动布线器的参数设置对话框

3.手动布线

对于小音箱的PCB设计，我们采用先设置布线参数后手动布线的方式。用放置PCB工具栏中的放置电气线工具，将PCB编辑器的底部切换到BottomLayer层上，对电路进行电气线连接。当在放置电气线状态下，鼠标变成十字形并放到某个焊盘上时，会出现如图5.44所示的形状，点击鼠标左键拖出电气线。在没有布线的PCB上，绿色的线是飞线，表示原理图中对应的电气连接，沿着飞线进行手动布线。图5.44手动布线图5.45隐藏元件的名称和序号图5.46为焊盘添加网络属性图5.47手动布线结果

4.覆铜

所谓覆铜，就是将PCB上闲置的空间作为基准面，然后用固体铜填充，这些铜区又称为灌铜。覆铜的意义在于，减小地线阻抗，提高抗干扰能力；降低压降，提高电