PCB设计技术 课件 5 FM收音机电路、6 USB集线器电路

PCB设计技术课程项目4:FM收音机电路PCBDesign韦编三绝，刻苦努力韦编三绝一词出自西汉司马迁所著的《史记·孔子世家》，原指孔子勤读《易经》，致使串联竹简的皮绳多次脱断，现用于比喻勤奋用功，刻苦治学。PCB设计的学习正是需要这种精神，在反复的项目实践中提升能力。收音机的应用收音机是一种能够将无线电信号进行接收、解码并转换为声音信号的电子装置。FM收音机是接收FM（调频）载波方式无线电信号的收音机。电路结构与原理FM收音机电路的结构电路以芯片GS1299为核心，采用7号电池和稳压芯片组成电源模块，3.5mm耳机接口同时作为信号接收端和声音信号的输出端，采用贴片晶振提供时钟信号，控制信号由5个轻触按键输入。01.电路结构与原理GS1299专用FM芯片电池3.5mm耳机接口稳压芯片按键×5晶振FM信号声音FM收音机电路原理图01.电路结构与原理主芯片电源输入/输出晶振按键逻辑封装设计2.1GS1299芯片的逻辑封装设计02.逻辑封装设计GS1299是由国内企业生产的一款内置MCU，用户无须编写程序的立体声收音机专用芯片GS1299芯片采用SOP16封装，引脚按逆时针方向顺序排布。工程师在设计逻辑封装时，在无特别要求的情况下，可以按照上图给定的形式和引脚排列进行设计12345678161514131211109引脚名称功能描述GND接地端，连接PCB地平面FM_INFM信号输入RCLK32.768kHz参考时钟输入VDD电源输入LOUT,ROUT左、右声道输出SEEK-,SEEK+向上搜索、向下搜索VOL-,

VOL+声音减小、声音增加PN电路功能开启/关闭+-02.逻辑封装设计逻辑封装的设计方案不是唯一的，不少PCB工程师在设计芯片逻辑封装时，不会限制于引脚的顺序，而是以引脚功能进行分类排序。右图给出了GS1299芯片的另一种逻辑封装形式，使相同功能的引脚相邻接地信号相关引脚音频输出时钟按键输入相关引脚电源输入天线信号方案1方案22.2电池座的逻辑封装设计02.逻辑封装设计7号电池座防滑柱2451234方案1方案27号电池2.3耳机座的逻辑封装设计02.逻辑封装设计本项目采用的3.5mm耳机座型号为PJ-313，相比第4章助听器电路中使用的PJ-307去掉了插入检测功能，结构相对更为简单，其逻辑封装可以参考PJ-307的设计过程接地端(3)右声道(1)左声道(2)实物图逻辑封装2.4按键的逻辑封装设计02.逻辑封装设计按键是电子电路常用的输入控制元件，从结构上一般分为自锁按键和回弹按键两种项目使用了一种成本更高，触感更好的硅胶回弹按键，右图所示。与第2章中学习的四脚贴片按键不同，该按键只有两个引脚，内部结构更为简单自锁按键回弹按键02.逻辑封装设计三种设计方案在电路连接上均是正确的，但各有优劣。设计方案1的样式更适合自锁按键；设计方案2显示了引脚的序号，对于两个引脚的非极性元件来说是没有必要的，这些多余的信息会影响页面的整洁性。因此，设计方案3是更为合适的。设计方案1设计方案2设计方案32.5晶振的逻辑封装设计02.逻辑封装设计晶振主要分为无源晶振和有源晶振两类。无源晶振的内部是纯粹的石英晶体，需要芯片内部锁相环等时钟电路共同工作才能起振。有源晶振内部集成了起振电路，无需外部添加其他元器件即可正常工作，但其需要外部电源供电各种类型的晶振无源晶振的逻辑封装2.6螺孔的逻辑封装设计02.逻辑封装设计螺孔螺丝孔的逻辑封装及电路连线02.逻辑封装设计晶螺孔的设计方法分为两种：一种是在PCB布局步骤中，通过手动的方式添加。这种方式不需要设计螺丝孔的逻辑封装，也不需要在原理图中添加螺丝孔。另一种方法是将螺丝孔看作电路的元件，使之出现在各个设计环节中，以确保原理图和PCB图的严格一致。逻辑封装螺孔接地螺丝孔逻辑封装的设计非常简单，其本质是一个外形类似圆圈的单引脚元件。电路中使用了3个螺丝孔，并连接到“地”网络。原理图绘制3.1网络标号03.原理图绘制网络标号是介于连线和电源符号之间的一种连接关系表示形式。如元件A的n3引脚与元件B的n4引脚所示，各自从引脚中引出一根短线，并设定一个相同的网络名称，就可以实现两个引脚之间的连接。这种方式相比连线，不需要使用线条连接，能够增加页面的整洁度元件A元件Bn1n2n3n4n1n2n3n4VCCVCCNET1NET1连线（网络名称隐藏）电源符号网络标号天线信号输入线路的网络标号03.原理图绘制使用网络标号标示重要网络（FM_IN）3.2元件描述规范03.原理图绘制元件标号元件值1．元件标号的描述规范03.原理图绘制类别代表字母类别描述电阻RRES排阻RNRESArray热敏电阻RTRES

Thermal压敏电阻VRRES

Varistor电容CCAP排容CNCAPArray钽电解电容CTCAPTAN电解电容CACAP

Electrolytic可变电容VCCAP

Varistor磁珠FBBEAD电感LINDUCTOR变压器TTransformer二极管DDIODE类别代表字母类别描述LED指示灯LEDLEDMOSQMOSFET三极管QTRANSISTOR芯片UIC板卡内连接器JPCONNECTOR板卡对外连接器PCONNECTOR熔丝FFUSE开关SWSWITCH有源晶振XCRYSTAL

Active无源晶振YCRYSTAL

Passive继电器RYRelay峰鸣器BBEEP电池座BATBAT_CON测试点（焊盘）TPTEST_POINT2．元件值的描述规范03.原理图绘制材质？耐压值？封装形式？精度？封装形式？左图中大部分元件的元件值均未达到规范要求。电阻R12仅给出了阻值，精度和封装形式均未显示；电容C4仅给出了电容值，缺少材质、耐压值和封装形式等信息。对于电路设计工程师，仅给出左图所示的元件值描述方式尚可理解，而这对于PCB工程师来说是不严谨的。电阻元件值的描述规范03.原理图绘制阻值1KΩ以下：*R；1KΩ~1MΩ：*K；1MΩ以上：*M材质碳膜（CarbonFilm）金属膜（MetalFilm）精度0.5%、1%、5%、10%等功率1/20W、1/16W、1/10W、1/8W、1/4W等规格插件：AXIAL-xx贴片：0402、0603、0805、1206等；品牌国内：风华高科（FH）等进口：TDK、YAGEO等

完整描述示例10K/CarbonFilm/5%/1/10W/0603/FH精简描述示例10K/5%/0603电容元件值的描述规范03.原理图绘制容值1000pF以下：*pF；1nF~100nF：*nF；0.1uF以上：*uF材质NPO、X7R、X5R、Y5V精度1%、5%、10%、20%耐压4V、6.3V、16V、25V、50V规格插件：RADL-xx贴片：0402、0603、0805、1206等品牌国内：风华高科（FH）等进口：TDK、YAGEO等

完整描述示例0.1uF/X7R/5%/10V/0603/FH精简描述示例0.1uF/10V/0603物理封装设计SMT（SurfaceMountTechnology，表面贴装技术）04.物理封装设计TDA7052按键控制LED电路的贴片按键功率放大电路的芯片与传统的通孔元件相比，贴片元件的安装密度高，并能够减小引线分布的影响，降低寄生电容和电感，高频特性好，是目前电子电路设备中主要的元件类型。通孔元件，也就是插件型元件，在现代电子电路设备中主要是各种接插件，例如USB口、网口和耳机口等4.1贴片RCL元件的物理封装设计04.物理封装设计RCL是指电子电路中最基本的电阻（R）电容（C）和电感（L）元件。左图所示为电子电路中的贴片RCL元件应用场景，这些元件呈颗粒状排列在芯片的周围。RCL元件的外观区分03.原理图绘制贴片电阻贴片电容贴片电感贴片电阻一般呈扁平的片状，以黑色为主，顶部标有表示阻值的数值；贴片电容一般呈黄褐色，比电阻稍厚，元件体表面无数字；贴片电感一般呈长方体形状，黑色为主，表面无数字RCL元件的尺寸代码04.物理封装设计LW英制代码公制代码长(L)/mm宽(W)/mm020106030.600.30040210051.000.50060316081.600.80080520122.001.25120632163.201.60121032253.202.50181248324.503.20201050255.002.50251264326.403.20三类元件的规格尺寸的定义标准是相同的。常见贴片RCL元件的封装有9种，用两种尺寸代码来表示：英制代码和公制代码。本项目中采用0603封装的元件04.物理封装设计1.60.80.80603封装设计1.60.80603元件焊接示意图04.物理封装设计由于0603封装的电阻、电容和电感的焊盘尺寸和距离都是相同的，因此在设计时需要利用丝印来区分元件类型。上图给出了一种设计方案，通过丝印的差异化设计，PCB工程师在后期布局布线时可以直观地区分这三种元件利用丝印区分同封装的RCL元件电阻电容电感04.物理封装设计钽电容（Tantalumcapacitor）属于极性电容的一种，与普通使用电解液作为介质的电解电容相比，钽电容使用钽金属作为介质，耐高温性能更好，同时具有更高的可靠性和使用寿命。在外形上，钽电容一般为黄色或者黑色长方体，正极一端带有粗线标识4.2钽电容的物理封装设计正极正极04.物理封装设计4.2钽电容的物理封装设计以C4“22uF/10V/A”为例，电容值为22μF，工作电压10V，尺寸为A。通过对比左图，在22μF，10V条件下，可以提供A/B/C三种尺寸。考虑尽量小型化的要求，最终选用A尺寸。A/B/C1．根据需求确定可选尺寸2．根据尺寸设计物理封装213.21.84.3稳压芯片的物理封装设计04.物理封装设计电路采用了一颗PL3500系列，输出电压为3.0V的低压差线性稳压芯片（LDO,LowDropoutRegulator）。芯片从3号引脚输入的电压，稳定至3.0V，并从2号引脚输出。芯片采用SOT（SmallOutlineTransistor，小外形晶体管）封装（IN）（GND）（OUT）04.物理封装设计设计要点此类封装的设计关键在于确定引脚的长宽和定位坐标。左图给出了建议的封装参数，焊盘大小为1mm×0.6mm，而芯片引脚与焊盘接触的部分实际尺寸为0.25mm×0.4mm。确定焊盘尺寸后，下一步的工作是选择元件的中心作为原点，计算各焊盘的位置坐标。单位：mm123(0,0)2.8mm1.9mm（0,1.4)（-0.95,-1.4)04.物理封装设计4.4PJ-313耳机座的物理封装设计312设计要点04.物理封装设计(0,0)1.30.8（3.5,0)1(0,6.3/2)非电镀孔内径1.6234567（-2.5,0)1234567悬空04.物理封装设计4.5双节电池座的物理封装设计04.物理封装设计4.6拨动开关的物理封装设计(13-0.5)mm123(0,0)3.06.25mm456.2mm内径≈0.8mm4.7螺孔的物理封装设计04.物理封装设计螺丝孔在PCB设计中也称为工具孔，主要作用是辅助PCB的制造和组装。一种简单的设计方法是直接放置一个符合要求的通孔焊盘。除此之外，一种更高级的设计方法是在外围铜皮上再放置若干个小孔，这种形式称为“卫兵孔”或者“防爆孔”，可以防止铜皮翘起，保证良好接地3mm4mm网表的局部更新05.网表处理工程设计更改（ECO）原理图PCB同步布局布线过程中，电路的引脚交换、删除或添加元件、删除或添加网络、重命名元件、重新命名网络等修改都被认为是一个工程设计更改（EngineeringChangeOrder）通过修改原理图文件，然后再通过网表，将变化同步更新到PCB文件中，这种方式称为网表的局部更新PCB布局6.1导入结构文件06.PCB布局结构工程师PCB结构文件结构文件是一个描述PCB外形尺寸，安装孔大小和位置，定位孔大小和位置，连接器形状和位置等信息的文件，一般由结构工程师给出。PCB工程师可以通过结构文件与结构工程师进行交互。结构文件的格式一般是DXF（DrawingExchangeFormat，绘图交换格式）文件，是AutoCAD一类设计软件的标准输出格式。如果PCB外形复杂，而结构设计人员需要对外形等参数进行约束的话，就需要结构人员提供DXF文件，PCB设计人员导入DXF文件确定PCB的外形、安装孔等参数。05.网表处理FM收音机电路的结构文件图中明确标示了板框的形状和尺寸，同时标记了关键接插件的位置和朝向。工程师可以直接将表示板框的线条图形转换为板框，并将关键接插件按照结构文件的标示进行放置板框螺丝孔位置电池座位置（底面）耳机座位置（底面）开关位置（底面）6.2元件双面布局06.PCB布局按信号走向的布局原则FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局原则1：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。FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。按信号走向的布局原则FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局原则2：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，信号的流向安排为从左到右或从上到下，与输入、输出端直接相连的元件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。电路的信号和电源均从PCB的左侧进入，按照从左到右的原则进行布局。电路中的耳机座同时作为无线电信号输入和音频输出的接插件，因此信号无法满足右侧输出的原则。PCB布线7.1敏感线路的处理07.PCB布线PCB的走线，是两个、甚至多个连接点之间的金属通路，线上传输信号的变化快慢不同，会让线路呈现不同的物理特性。一根导线通电以后，导体周围就会产生磁场。信号的频率较快，磁场也会随之变化，交织变化的磁场会让PCB的性能发生各种变化。此类线路是PCB中的“不安份子”，称之为敏感线路，或者高频线路，必须小心处理1.微带线与带状线07.PCB布线微带线（Microstripline）是走在PCB表面层的走线，带状线是埋在PCB内层的（Stripline）的走线hwtbtw导体绝缘介质微带线带状线微带线一面是电介质，一面是空气，因此信号传输速度很快。带状线两边都有电源或者地层，因此阻抗容易控制，同时屏蔽性能好，但是信号速度慢些。2.FM信号和时钟输入线路的处理07.PCB布线FM信号输入线路晶振时钟信号输入线路敏感信号的布线原则07.PCB布线FM信号输入线路地网络铺铜弧线晶振时钟信号线原则1：优先绘制相关的敏感线路。布线是有优先级的，对于一个PCB中的敏感信号，以及关键线路，应该优先绘制，以尽量避免绕线、换层等影响布线质量的问题。原则2：对重要线路进行“包地”处理。包地，顾名思义就是要将信号线周围用“接地”属性的线或者铜皮包裹起来，该方法能够有效降低信号串扰。特别是本项目中的两层板，因为没有中间层用作参考平面，重要信号的包地就很重要。敏感信号的布线原则07.PCB布线原则3：布线的弯折越少越好。最理想的状态是全直线，需要转折的场合，可用45度折线或者圆弧转折。在高频电路中，这个做法却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。原则4：布线的长度越短越好。信号的辐射强度是和信号线的走线长度成正比的，高频的信号引线越长，它就越容易耦合到靠近它的元器件上，所以对于时钟、晶振、DDR的数据、LVDS线、USB线、HDMI线等高频信号线都是要求尽可能的走线越短越好。原则5：布线要尽量避免层间切换。敏感线路的布线过程要尽量避免使用过孔，因为过孔将会引入额外的分布电容，影响连线的性能。减少过孔数能显著提高速度和减少数据出错的可能性。7.2滤波电容的布线07.PCB布线滤波电容是安装在整流电路（例如电源芯片）两端用以降低交流脉动波纹系数，提升高效平滑直流输出的一种储能器件。滤波电容的布局布线原则是：电源电压先到滤波电容，经滤波电容后，再送给后面的元件。错误与正确方案对比07.PCB布线错误的布线方案中，紫色为电源网络相关端点，绿色为接地网络相关端点；A点为电源输出端点，经两个电容滤波后，输送至B点。图中使用铺铜的方式完成布线连接，看起来很美观，但没有达到真正的滤波效果。图中红色的虚线代表电流的流动方向，在这种布线方式下，电流可以“绕过”滤波电容直接达到B点。ABAB7.3静态铜的设计07.PCB布线静态铜（Copper），也称为硬铜或者固态铜，铜皮是实心的，会将所画的区域的所有连线和过孔全部连接到一起，即“所画即所得”。静态铜不会考虑所画铜块是否属于同一个网络，容易造成短路，PCB工程师必须小心处理。3点优势：电源散热、处理特殊区域、狭小空间铺铜PCB制造工艺在PCB设计完毕，导出制造文件给制造商的同时，必须提供PCB的制造工艺要求，制造商才可以按照要求生产PCB。主要包括：PCB的材质铜箔的厚度板厚、最小线宽和孔径阻焊和丝印的颜色表面处理工艺8.1PCB的材质08.后期处理生产PCB的板材，又称为基材，芯板，覆铜板等，是制作PCB的基础材料，其本质是将玻纤布或其它增强材料浸以树脂，一面或双面覆以铜箔并经热压而制成的一种板状材料铜箔树脂玻璃纤维FR-4是目前应用最为广泛的一类基材。FR-4一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格8.2铜箔的厚度08.后期处理铜箔的厚度，俗称铜厚，是电路板表面的那一层金属，也就是PCB的线、铜皮、焊盘等金属元素的厚度。铜厚分为内层铜厚和外层铜厚，一般使用重量单位盎司（oz）来计量盎司是一个重量单位，并不是尺度单位，在PCB制造工艺里，1oz铜厚定义为将1盎司重量的铜平铺在1平方英寸面积内，形成的铜箔厚度，转换为尺度单位约为35um（1.4mil）0.5oz1oz1oz表层底层中间层8.3板厚、最小线宽和孔径08.后期处理板子厚度，也就是板厚，一般为1.6mm。在一些复杂的PCB设计中，需要根据电路的工作频率决定板厚，频率越高，板子越薄。板子厚度与介质厚度有关，会影响线路阻抗等性能最小线距最小线宽最小孔径最小线宽/线距在制造环节，通常不需要填写，而是由PCB制造商的工程技术人员根据客户的制造文件进行评估，看是否符合制造商的制程能力。目前大部分PCB制造商能够在1oz铜厚前提下，满足最小线宽/线距3.5mil的制造能力最小孔径的设置08.后期处理最小孔径，一般是指走线过孔的内孔径，元件通孔焊盘的孔径一般比较大。最小孔径由钻孔机的精度决定，PCB工程师在设计时必须考虑制造商的制程能力，过小的孔径将无法生产。根据目前一般的制程能力，最小孔径的最小值为6mil（约0.15mm）>12mil>6mil>6mil在一般的PCB设计中，建议最小孔径不能小于12mil（约0.3mm），过孔外圈焊盘单边不能小于6mil，最好大于8mil。过孔到过孔之间的间距（孔边到孔边）不能小于6mil，最好大于8mil8.4阻焊和丝印的颜色08.后期处理绿色阻焊白色丝印白色丝印阻焊和丝印参数的填写08.后期处理阻焊（SolderMask）是用于在焊接过程中及焊接之后提供介质和机械屏蔽的一种覆膜。阻焊也俗称为“绿油”，因为大多数PCB使用的是绿色的阻焊油丝印（SilkscreenMask）是在阻焊层的上面印制的字母、数字、名称、符号、生产日期以及公司名称和LOGO等等。丝印的主要目的是方便组装和指示板卡的设计情况。丝印的颜色一般选择白色8.5表面处理工艺08.后期处理工艺喷锡沉金沉锡OSP（防氧化）寿命（月）126126成本较低高中等低工艺复杂度高高中等低喷锡沉金沉锡OSP（防氧化）表面处理等制造工艺要求的填写08.后期处理您已经完成了第四个项目的PCB设计流程！布线三种境界：首先是布通，这是最基本的要求。其次是满足电气性能，在布通之后，认真调整布线，使其能达到最佳的电器性能。最后是美观。布线要整齐划一，不能纵横交错毫无章法。PCB工程师设计经验PCB设计技术课程项目5:USB集线器电路PCBDesign蛛游蜩化，崭露头角蛛游蜩化一词出自明代李东阳的《奕说》：“故或役心命志，如蛛游蜩化而不自知”，比喻经过训练，犹如蜘蛛在网上游行和蝉的蜕变，技艺变得纯熟。经过前面四章的项目学习和训练，也到了该崭露头角的时候。USB集线器的应用USB集线器，英文为USBHub，是一种可以将单个USB接口扩展为多个，并可以同时使用的装置。电路结构与原理USB集线器电路的结构USB集线器，英文为USBHub，是一种可以将单个USB接口扩展为多个，并可以同时使用的装置。本章节，我们将会完成一个商业级的设计案例：基于NEC公司方案的4口USB2.0集线器。01.电路结构与原理NECuPD720114专用芯片USB接口×45V_USB稳压芯片3.3V_USB晶振VDD25OUTUSB集线器的完成效果图01.电路结构与原理USB集线器电路原理图01.电路结构与原理时钟USB接口主芯片电源USB接口逻辑封装设计需要设计的逻辑封装02.逻辑封装设计1232.1uPD720114芯片的逻辑封装设计02.逻辑封装设计uPD720114芯片采用QFP（QuadFlatPackage，方型扁平式封装），引脚从芯片体四周伸出，数量多达48个。针对该芯片的逻辑封装，有两种设计思路：一是按照左图的引脚分布，直接画出芯片的逻辑封装；二是不限制于引脚的实际分布顺序，按引脚功能进行分类排序。两种设计思路的对比02.逻辑封装设计主芯片主芯片引脚四边分布的形式按功能分布的形式uPD720114芯片逻辑封装设计方案02.逻辑封装设计USB主口信号5V电源输入3.3V电源输入内置2.5V电源输入输出相关接地电源相关LED指示灯晶振4组USB差分信号2.2LM1117芯片的逻辑封装设计02.逻辑封装设计LM1117是美国德州仪器公司生产的一个高精度低压差线性稳压芯片系列，包含1.25～13.8V输出电压范围可调电压的型号，以及1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V固定电压输出的型号。（3）（2）（1）（4）同一个LM1117系列不同型号的芯片02.逻辑封装设计SOT-223TO-220FPMTO-263WSON02.逻辑封装设计需要注意两点：第一点是2、4号引脚在芯片内部是相连的，应用时可以根据需要选择使用其中一个，或者均使用；第二点是对于固定电压输出的型号，1号引脚是接地端。根据上述分析，我们可以设计LM1117MPX-3.3芯片的两种逻辑封装如上图所示INGNDOUT312INOUT132GND1OUT24设计方案一设计方案二芯片外形2.3USB连接座的逻辑封装设计02.逻辑封装设计本项目使用到了两种USB2.0连接座：一种是A型90度弯折的母座，另外一种是A型180度直插的母座。插座的1-4号引脚分别是电源、差分负信号、差分正信号和地，元件体两端是外壳接地的针脚。两种接插座的区别在于USB线或者设备的接入角度A型母座90度弯折A型母座180度直插VCC(1)GND(4)D-(2)D+(3)GND(4)VCC(1)D-(3)D+(2)用文本设计引脚的名称02.逻辑封装设计因此，两种USB接插座的逻辑封装可以是相同的，一种设计方案如上图所示。该方案为了达到更高的美观度，在设计时隐藏了各引脚的名称，用文本的形式标注。注意在放置文本时需要暂时关闭栅格，才能实现精准放置。5、6号引脚对应外壳的固定针脚定义1-4号引脚分别对应各USB2.0协议信号文字形式标注引脚名称原理图绘制3.1电源引脚的旁路电容03.原理图绘制PowerICVCCGNDC1C2所谓“旁路”，是指把输入信号中的高频噪声作为滤波对象，防止高频杂波进入芯片内部。在PCB设计时，一般在贴近芯片电源引脚放置一个电容，例如上图中的C2。该电容具有储能的作用，可以给芯片提供瞬时电流，减弱外部电流波动向芯片的传导，称为旁路电容旁路电容的一种原理图设计方案03.原理图绘制旁路电容对应引脚旁路电容的另一种原理图设计方案03.原理图绘制旁路电容3.2平坦式原理图设计03.原理图绘制顶层电路图原理图A原理图B原理图C原理图D原理图E电路结构框图原理图A原理图B原理图C层次式原理图平坦式原理图03.原理图绘制原理图A原理图B5V_USB3.3V_USBGND在本项目中，我们可以将原理图分为两页，第一页是以uPD720114芯片为核心的功能电路，第二页是以LM1117为核心的电源电路，如左图所示。两页之间的连接包括三个网络：5V_USB、3.3V_USB和GND，这三个都属于电源网络，是全局性网络，作用范围包括所有页面，因此不需要使用专门的连接符来连接以上三个网络。物理封装设计需要设计物理封装的元件04.物理封装设计341254.1USB连接座的物理封装设计04.物理封装设计A型90度母座A型180度母座两种USB连接座的封装参数对比04.物理封装设计vs0.90.922.72.413.1513.30（1）焊盘设计和放置03.原理图绘制1-4号引脚的焊盘内径0.9mm，考虑到2号、3号引脚之间的距离只有2mm，外径不宜过大，建议设置在1.4至1.6mm之间。以2号、3号引脚焊盘的中心作为原点，可以方便计算所有焊盘的坐标，是一种更好的选择。0.91.53.32.3(0,0)（6.575,-2.3)(3.5,0)(-1,0)152346（2）外形丝印设计—90度03.原理图绘制14.013.212.9（13.2/2,-12.9)（2）外形丝印设计—180度03.原理图绘制5.713.254.1（6.625,-4.1)04.物理封装设计QFP全称为QuadFlatPackage，方型扁平式封装，是一种引脚从四个侧面引出呈海鸥翼型的表面贴装型封装技术。QFP封装芯片的引脚数量一般为20个以上，多用于微处理器、可编程逻辑器件等4.2方形扁平封装QFP的设计04.物理封装设计uPD720114芯片的规格参数（1）确定焊盘尺寸04.物理封装设计贴片焊盘是承载芯片引脚的接触点，根据上图，芯片引脚的宽度H的值为0.22+0.05或-0.04，取最大值0.27作为对应焊盘的宽度；芯片引脚的长L的值是0.5，按照经验一般取其2倍作为焊盘的长度，即1.0mm。Hmax2xL04.物理封装设计（2）计算焊盘位置坐标(0,0)1211×J1末端距A13(-11J/2,-A/2)2537(-2.75,-4.5)(A/2,-11J/2)(4.5,

-2.75)04.物理封装设计（3）绘制外形丝印vs1132637设计方案A设计方案B4.3小外形晶体管SOT-223的设计04.物理封装设计电路中电源转换芯片的型号为LM1117MPX-3.3，物理封装形式为SOT-223，是SOT封装的其中一种形式，其规格参数如图6-31所示。芯片整体长宽约为6.7mm×7.3mm电路中电源转换芯片的型号为LM1117MPX-3.3，物理封装形式为SOT-223，是SOT封装的其中一种形式，其规格参数如上图。芯片整体长宽约为6.7mm×7.3mm04.物理封装设计SOT-223封装的设计要点4(0,0)5.8mm2.3mm（0,2.9)（-2.3,-2.9)213（-3.35,1.85)1号焊盘的位置坐标可以根据引脚间距（2.3mm）和上下端焊盘的间距（5.8mm）计算，结果为（-2.3,-2.9）；4号焊盘的位置坐标为（0,2.9），其他焊盘的坐标可以按照相同原理计算。对于外形丝印，需要确定其中一个顶点坐标。以图6-32中左上角为例，该坐标的计算需要结合图6-31中芯片体的长（6.3-6.7mm）和宽（3.3-3.7mm），外形的计算取最大值，即6.7mm和3.7mm，进而计算左上角顶点坐标为（-3.35,1.85）。4.4晶振HC-49的物理封装设计04.物理封装设计电路中电源转换芯片的型号为LM1117MPX-3.3，物理封装形式为SOT-223，是SOT封装的其中一种形式，其规格参数如图6-31所示。芯片整体长宽约为6.7mm×7.3mm1.0mm4.5mm10.0mm(0,0)（6.5,2.465)贴片焊盘的尺寸设计为1.0×4.5两个焊盘的坐标分别为(-5,0)和(5,0)外形丝印右上角定位应为(6.5,2.465）4.5磁珠的物理封装设计04.物理封装设计电路中电源转换芯片的型号为LM1117MPX-3.3，物理封装形式为SOT-223，是SOT封装的其中一种形式，其规格参数如图6-31所示。芯片整体长宽约为6.7mm×7.3mm磁珠的单位是欧姆，是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，阻抗的单位也是欧姆。磁珠主要用于高速电路，例如射频电路，振荡电路，USB、DDR高速线路等，一般需要在电源输入部分加磁珠。磁珠的主要功能是抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰。04.物理封装设计根据型号确定元件的尺寸对于B321611系列，磁珠的长宽为3.2mm×1.6mm，这是标准的3216封装尺寸。需要注意的是，磁珠和电感一样，不区分正负，因此在外形丝印上不需要特别标示正极一端。1．根据需求确定可选尺寸2．根据尺寸设计物理封装213.21.8常见网表错误及更正05.常见网表错误及更正5.1元件标号重复网表的一个重要作用是表明电路中包含哪些元件，他们的“名字”是什么。这里的“名字”，是指元件的标号。在同一个原理图中，每一个元件的标号必须是唯一的，否则将导致网表无法生成。一一对应05.常见网表错误及更正5.2元件封装信息缺失/错误网表的第二个重要作用是表明电路中各个元件“长啥样”，就是要标明每一个元件原理图中逻辑封装对应的物理封装。在网表导入时，设计将根据网表中元件标号和物理封装信息的对应关系，从物理封装库中查找对应封装，如果信息缺失或者填写错误，将导致软件无法找到相应封装。0603C0603物理封装库无法匹配05.常见网表错误及更正5.3元件封装引脚不匹配网表的第三个重要作用是表明电路中各个元件之间是“怎么连”的，就是要标明元件封装中各个引脚的连接关系。当原理图中的元件逻辑封装与PCB中物理封装的引脚不一致时，导致连接关系无法正确分配，出现错误。A1A2A3A4A5A6引脚号无法匹配PCB布局6.1设计板框和放置关键元件06.PCB布局98mm28mmMianPort13.211.313.255.760.03.0直接根据结构图纸给定的数据手动设计板框和放置关键元件05.常见网表错误及更正98mm28mm11.3主电路布局区域设计板框及放置关键元件05.常见网表错误及更正USB集线器最终布局效果示意图98mm28mmPCB布局的基本思路06.PCB布局PCB布局的基本思路一般就是设定布局约束（例如板框）、放置固定元件（例如上一节中的USB连接座），然后是大器件（一般是芯片）,再通过交互式和模块化，来进行小器件布局；大体布局好之后，再进行模块的局部细分布局，根据大器件所在模块一个模块，一个模块地进行布局。布局约束1放置固定元件2交互式/模块化布局3局部模块化4布局评估56.2交互式布局FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局原理图PCB图所谓交互式布局，是指在布局过程中，同时使用原理图和PCB图进行参考布局，在原理图中选中一个或多个元件时，PCB图中对应的元件也会被选中。利用这个功能，就可以快速定位元件，分类放置元件。可以将OrCAD原理图导入PADSLogic，再与PADSLayout同步。6.3模块化布局FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局3.3V转换模块模块化布局是指按照功能，将电路分解为多个模块，分配不同模块在PCB上的位置，同一模块的相关元件布局在邻近位置。在布局初期，我们可以将PCB上的元件进行快速的模块化分组。模块化布局和交互式布局是密不可分的。利用交互式布局，在原理图上选中模块的所有元件，一个个地在PCB上排列好，接下来，就可以进一步细化布局其中的IC、电阻、二极管了，这就是局部模块化。分析原理图，确定模块分组06.PCB布局电源模块主芯片模块2.5V转换电路3.3V转换电路USB主接口USB分路接口时钟3.3V转换电路时钟（晶振）主芯片USB主接口USB分路接口分析原理图，确定模块分组06.PCB布局2.5V转换电路围绕核心元件进行局部细分布局06.PCB布局5V_USB3.3V_USB以3.3V转换电路为例除旁路电容外，初步布局方案06.PCB布局03.原理图绘制PowerICVCCGNDC1C2所谓“旁路”，是指把输入信号中的高频噪声作为滤波对象，防止高频杂波进入芯片内部。在PCB设计时，一般在贴近芯片电源引脚放置一个电容，例如上图中的C2。该电容具有储能的作用，可以给芯片提供瞬时电流，减弱外部电流波动向芯片的传导，称为旁路电容6.4旁路电容的布局布局方案示例对比FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局芯片VCCGNDVCCGND芯片GNDVCCVCCGND连接到地平面旁路电容连接到电源平面GND过孔走线旁路电容的布局布线原则是最小化连线的电阻和电感正确布局错误布局QFP和SOP等封装形式芯片的旁路电路布局FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局布线空间狭小底层线路顶层线路布线空间GNDVCC放置于底层理想化布局方案一般实际方案主芯片3.3.V电源引脚旁路电容的布局FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局19203048C4C5C6C7电路针对3.3.V电源设计了4个旁路电容，分别对应主芯片的4个电源引脚。4个旁路电容在布局时必须放置到对应4个引脚底部。2.5V电源相关电容布局分析FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局滤波滤波旁路旁路图中C9、C11、C12是滤波电容，与磁珠L2共同滤除输出电压的纹波起伏和高频干扰，磁珠L3用于模拟接地引脚AVSS和AVSS_R的高频干扰过滤。C13、C14分别作为17、19号电源引脚的旁路电容，C16~C18分别作为引脚12、24、33号引脚的旁路电容主芯片2.5V电压滤波电容的布局FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局193048C4C5C6C7C11C9C12L2L31618同一个电源输出端上的多个滤波电容，布局原则是：大容量靠近引脚，小容量放在外侧。因此在右图，大容量10μF的钽电容C11距离主芯片1号引脚最近，再到4.7uF的电容C9，然后是0.1uF的电容C12，最后经过磁珠L2再到对应的电源引脚，如图中红色箭头所示。磁珠L3放置于16、17号引脚的底部。主芯片2.5V电源引脚旁路电容的布局FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。06.PCB布局主芯片17、19号电源引脚的旁路电容C13、C14分别放置于其底部，12、24、33号引脚的旁路电容C16~C18分别放置于对应引脚底部，如图6-58所示。由于底部空间非常有限，新放置的旁路电路将挤占原来的布局空间，已布局电容和磁珠的位置要根据需要进行微调。1C4C5C6C7L3C13C141719C161224C1733C18PCB布线7.1多走线孔设置07.PCB布线对于复杂的PCB，一般需要设置多个尺寸不同的走线孔，以满足不同的布线需要。在本项目中，我们将设置两种尺寸的走线孔，大尺寸走线孔内/外径参数为35/52mil，主要用于电源线路；小尺寸走线孔内/外径参数为20/32mil，主要用于一般信号线大尺寸走线孔52mil35mil32mil20mil小尺寸走线孔7.2布线顺序07.PCB布线布线顺序的原则可以概括为：关键元件优先、关键信号线优先和密度优先关键元件关键元件关键元件关键元件优先FM无线电信号通过耳机线（天线）接收，并经PCB左下角的耳机接地端进入电路，输入至GS1299芯片进行解码。顶层元件布局的关键是以GS1299芯片为中心，遵守邻近原则和便于布线的原则放置其他元件。07.PCB布线时钟信号1高速信号2高速信号2电源信号3电源信号3电源信号3一般信号4地信号5关键信号优先07.PCB布线对于相同布线顺序的部分，优先从连接关系最复杂和密集的元件区域着手布线3.3V电源网络2.5V电源网络密度优先对于相同布线顺序的部分，优先从连接关系最复杂和密集的元件区域着手布线7.3高速差分线07.PCB布线差分线使用两个极性相反的电压信号来传输一个信息信号，包括两条线，一条传输正相信号，另一条传输反相信号。接收端通过检测两条线路之间的电位差来接收信息。发送端接收端D+D+D-D-V+V-差分线信号的取值07.PCB布线接收器通过检测反相和非反相信号之间的电位差来接收信息。在差分结构下，两个电压信号是“平衡的”，当线路外部引入干扰时，将同时作用到正相和反相信号上，虽然单条线路上有影响，但两条线路的电压差将抵消外部引入的干扰。普通单端信号假设Vhigh=3V，Vlow=0V，那么3V代表“1”，0V代表“0”。差分信号假设VDM=1.5V，VCM=-1.5V，Vdiff=VDM-VCM“1”：Vdiff=1.5-(-1.5)=3V“0”：Vdiff=-1.5-(1.5)=-3VUSB集线器中的差分线07.PCB布线差分对1差分对2差分对3差分对4差分对5USB2.0标准有一对差分线，USB3.0标准有3对差分线。本项目的USB集线器是USB2.0标准，5个USB连接座一共包含5对差分线，同一个收发端的两条差分线称为“差分对”差分线的布线规则07.PCB布线在元件布局时，尽量使差分线路最短，以缩短差分线的走线长度。当然，元件布局一般受到多种因素的制约，例如结构参数、接口位置等，线路最短是指在布局条件允许情况下尽量缩短差分线的长度。同时，差分线属于高速线路，在布线时需要优先绘制。1.线路最短，优先绘制差分线的布线规则07.PCB布线差分线涉及两条线路，要尽量使得正反相信号在两条线路上的传输特性相同，就要确保走线具有相同的长度，当然线宽也要相同。同时，两条线路距离越近，信号的耦合就越好，线路上的干扰将更有效地抵消。因此，布线要采用对称平行走线的方式，保证两条线路紧密耦合。2.等长等距、平行走线正确错误差分线的布线规则07.PCB布线不匹配的线长将造成信号时序的偏移，还会引入共模干扰，降低信号质量。所以，差分对的布线过程中要时刻注意线长的匹配，当间距和线长不能兼顾时，优先使线长匹配。匹配是指两条线路的长度差控制在10mil以内。3.因素制约，等长优先下方线路较短绕线实现匹配差分线的布线规则07.PCB布线4.精确计算，阻抗控制差分走线的阻抗除了与线宽和线间距有关外，还与PCB材质的介电常数、参考平面的高度，铜箔厚度等因素有关。线路阻抗的一般采用专业软件计算，如右侧SI9000。SI9000软件USB2.0协议中要求差分线的阻抗控制在90（±10%）欧姆，对于1.6mm板厚，FR4材质的双层PCB，经计算得到差分线的一组参数为：线宽13mil，线间距6mil。需要注意的是，13mil线宽及6mil线间距只是理论设计值，最终电路板厂依据要求的阻抗值并结合生产的实际情况和板材，会对线宽线间距及到参考层的距离做适当的调整。7.4旁路电容的布线07.PCB布线旁路电容的布线原则与布局相同，就是最小化连线的电阻和电感芯片连接到地连接到电源芯片连接到地连接到电源方案A方案B一些对信号比较敏感的芯片，其内部产生的高频杂波可能会随着电源线路传导到其他元件，而电源引脚上的电容可以通过将这些高频杂波旁路到地，实现去耦作用。（多用于模拟电路）（多用于数字电路）3.3V电源引脚旁路电路的布线方法07.PCB布线绿色：底层走线连接电容到过孔橙色：顶层走线连接引脚到过孔连接到3.3V转换电路的输出端底层铜块：连接各个过孔过孔：连接地网络（1）连接电源引脚和电容（2）连接各个过孔多区域铺铜的示意图07.PCB布线接地过孔2.5V过孔3.3V过孔左图给出了一种多区域铺铜的示意图，图中使用不同的图形符号代表不同网络的过孔，分别模拟本项目中接地、2.5V、3.3V三个网络旁路电容布线过程中产生的过孔。单平面内实现多区域铺铜的难点在于根据不同网络过孔的分布绘制区域，且各区域不能相互包含。最终，在芯片底部这片狭小的布线空间内，需要根据3类网络过孔的分布绘制铺铜区域，其过程与项目3助听器电路中学习的单平面多区域铺铜方法类似。后续处理8.1密集元件的标示08.后期处理元件标号的主要作用是在PCB焊接组装环节，正确指示元件的位置，确保元件安装到正确的封装上。其次，元件标号还需要在元件焊接后，依然清晰指示元件位置，便于后期维护和调试。因此，元件标号不能放置于元件封装范围内，这是基本原则。??L1L2L3L4L5C1C2C3C4高元件密度的示例L3L1L2L4L5C1C2C3C4常见错误示例（1）线条指示法07.PCB布线L1L2L3L4L5C1C3C4C2可以在PCB上绘制线条（非金属连线），将元件标号和元件对应起来，如左图C3所示。在空间允许的情况下，可以使用线条绘制成箭头的形式，如图中C2所示，更形象直接。这些线条一般绘制在丝印层上，属性是普通的2D线，以白色油墨的形式制造。（2）区域表示法07.PCB布线PCB上密集的元件往往分布在一个或者多个区域，我们可以在密集元件的相近位置，将所有元件的标号集中在一起，按照元件的相对位置进行放置。L3L5C1C2C3C4L4L1L28.2添加图形标识08.后期处理美国和欧盟的认证标志禁止随意丢弃标志导入图片制作复杂图形08.