Protel DXP 2004 SP2印制电路板设计教程 课件 项目6 低频矩形PCB设计-声光控节电开关

制作团队：郭勇、陈开洪、吴荣海项目6低频矩形PCB设计--声光控节电开关主要内容任务6.1了解PCB布局、布线的一般原则任务6.2了解声光控节电开关及设计前准备任务6.3加载网络信息及手工布局任务6.4声光控节电开关PCB手工布线任务6.5覆铜设计及PCB调整技能实训8声光控节电开关PCB设计项目6低频矩形PCB设计--声光控节电开关6.1.1印制板布局基本原则元器件布局是将元器件在一定面积的印制板上合理地排放，它是设计PCB的第一步。布局是印制板设计中最耗费精力的工作，往往要经过若干次布局比较，才能得到一个比较满意的布局结果。一个好的布局，首先要满足电路的设计性能，其次要满足安装空间的限制，在没有尺寸限制时，要使布局尽量紧凑，减小PCB尺寸，以降低生产成本。任务6.1了解PCB布局、布线的一般原则1.元器件排列规则先难后易先大后小通常只放顶层顶层过密高度有限、散热小的器件放在底层特别集成芯片优先同类型有极性力争方向一致同类型X或Y方向尽量一致电阻电容发光二极管输入输出尽量远离去耦电容应尽量靠近芯片的电源脚输入输出顶层芯片底层去耦电容相同结构的电路对称布局旁路电容均匀分布集成电路周围同一种电源的元器件尽量放在一起5V3.3V顶层信息底层信息相同结构的电路

对称布局旁路电容均匀分布集成电路周围同一种电源的元器件尽量放在一起存在较高的电位差加大它们之间的距离带高压的元器件布置在调试时手不易触及的地方板边缘的元器件一般离板边缘至少两个板厚四个引脚以上的元器件

不允许翻转双列直插式元器件相互的距离要大于2毫米BGA与相临元器件距离大于5毫米贴片小元器件元件相互距离大于0.7毫米压接元器件周围5毫米不可以放置元件元器件在整个板面

分布均匀、疏密一致、重心平衡2.按照信号走向布局原则信号流程逐个安排功能电路单元围绕核心元器件缩短元器件之间的引线HDMI接口电源LVDS接口CPUVGA接口BNC接口输入、输出端的元器件靠近连接器的布局信号的流向安排输出输入输出输入从左到右或从上到下尽可能保持一致的方向3.防止电磁干扰辐射电磁场较强的元器件电磁感应较灵敏的元器件高低电压元器件强弱信号的元器件应加大距离或加以屏蔽

避免相互混杂

交错布局

会产生磁场的元器件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对干扰源进行屏蔽屏蔽罩应良好接地存在大电流的元器件要与小电流电路分开靠近电源的输入端加上去耦电路4.抑制热干扰发热的元器件一般布置在PCB的边缘可单独设置散热器或小风扇热敏元器件紧贴被测元器件并远离高温区域双面放置元器件底层一般不放置发热元器件功耗大的集成块、大或中功率管、电阻等布置散热器件5.可调节元器件、接口电路的布局电位器、可变电容器、可调电感线圈或微动开关等可调元器件布局应考虑整机的结构要求机外调节机内调节接口电路调节旋钮与外壳面板上的位置相适应放置便于调节的地方板的边缘主板接口电路布局图6.提高机械强度注意整个PCB的重心平衡与稳定，提高机械强度和耐振、耐冲击能力，减少印制板的负荷和变形。重而大的元器件安置在印制板上靠近固定端的位置，并降低重心。重15克以上的元器件，不能只靠焊盘，应使用支架或卡子加以固定。可设置“辅助底板”。板的最佳形状是矩形，板尺寸大于200×150mm时，可以使用机械边框加固。布线受布局、板层、电路结构、电气性能要求等多种因素影响，布线结果直接影响电路板性能。进行布线时要综合考虑各种因素，才能设计出高质量的PCB，目前常用的基本布线方法如下。1）直接布线。2）X－Y坐标布线。元器件跨越导线顶层短路线跨越先把关键的导线直接布设好次要导线绕过它们6.1.2印制板布线基本原则布线受布局、板层、电路结构、电气性能要求等多种因素影响，布线结果直接影响电路板性能。进行布线时要综合考虑各种因素，才能设计出高质量的PCB，目前常用的基本布线方法如下。1）直接布线。2）X－Y坐标布线。两面布置导线正交走线一面水平走线一面垂直走线1.布线板层选用印制板布线可采用单面、双面或多层首选单面，其次是双面，仍不能满足设计要求时才考虑选用多层单面板双面板多层板2.印制导线宽度原则印制导线最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。一般导线宽度在1.5mm左右完全满足要求。密度允许尽可能用宽线，特别电源和地线。数字电路通常选0.2～0.3mm就足够。印制导线的电感量与长度成正比，与宽度成反比。短而宽的导线对抑制干扰有利。线宽一般要小于与之相连焊盘的直径。3.印制导线的间距原则

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。导线越短、间距越大，绝缘电阻就越大。绝缘电阻超过20M允许电压为300V间距1.5mm间距1mm允许电压为200V一般选用间距1～1.5mm可以满足要求。对集成电路，尤其数字电路，工艺允许可使间距很小。4.布线优先次序原则密度疏松原则从连线最疏松的区域开始布线核心优先原则核心部分应优先布线次要信号要顾全整体关键信号线优先电源、模拟小信号、高速信号时钟信号、同步信号5.信号线走线一般原则输入、输出端的导线避免相邻平行两面的导线互相垂直，斜交，减少寄生耦合信号线高、低电平悬殊加大导线的间距关键信号专门的布线层6.重要线路布线原则

1）用地线将时钟区圈起来，时钟线尽量短；石英晶体振荡器外壳要接地；石英晶体下面以及对噪声敏感的元器件下面不要走线。

2）时钟、总线、片选信号要远离I/0线和接插件，时钟发生器尽量靠近使用该时钟的元器件。

3）时钟信号线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近，时钟线垂直于I/0线比平行I/O线时的干扰小。

4）弱信号电路、低频电路周围不要形成电流环路。

5）模拟电压输入线、参考电压端一定尽量远离数字电路信号线，特别是时钟信号线。7.地线布设原则

1）一般将公共地线布置在印制板的边缘，留有一定的距离（不小于板厚），便于与机架地相连接。便于安装导轨和进械加工，提高了绝缘性能。

2）在印制电路板上应尽可能多地保留铜箔做地线，改善传输特性和屏蔽效果，减少分布电容。地线（公共线）不能设计成闭合回路，在低频电路中一般采用单点接地；在高频电路中就近接地，采用大面积接地方式。

3）印制板上装有大电流器件，它们的地线最好要分开独立走，以减少地线上的噪声。模拟地与数字地相对独立保证信号完整性分开排布减小相互干扰汇合处通过0Ω电阻或小电感连接不同信号的电源、地线环路最小原则信号线与地线回路构成的环面积环面积尽可能小减小对外辐射降低接收干扰环面积较小合理环面积过大不合理8.信号屏蔽原则单面板双面板多层板信号线地线地线信号线地线信号线地线层电源层信号线加屏蔽罩，屏蔽罩接地重要的信号时钟信号同步信号频率特别高的信号包络屏蔽覆铜屏蔽9.走线长度控制规则短线规则布线长度尽量短差分线数据传输等长线时钟线振荡器使用时钟器件10.倒角规则避免产生锐角或直角易产生不必要的辐射圆弧倒角135度倒角线与线夹角一般应≥135°11.去耦电容配置原则每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容每4～10个芯片配置一个1～10uF钽电解电容芯片六个电源输入配一个钽电解电容六个对应的陶瓷电容电源和地线间直接接入去耦电容去耦电容引线不能过长背面就近布局电容芯片位置顶层信息底层信息12.器件布局分区/分层规则不合理为了防止不同工作频率的模块之间的互相干扰，同时尽量缩短高频部分的布线长度，通常将高频部分设在靠近接口部分以减少布线长度。合理对于模数混合电路，在多层板设计中可以将模拟与数字电路分别布置在印制板的两面，分别使用不同的层布线，中间用地层隔离的方式。13.孤立铜区控制规则不合理合理孤立铜区也叫铜岛，它的出现，将带来一些不可预知的问题，因此通常将孤立铜区接地或删除，有助于改善信号质量。14.大面积铜箔使用原则在PCB设计中，没有布线的区域最好由一个大的接地面覆盖，提供屏蔽和增加去耦能力。发热元器件周围或大电流通过的引线应尽量避免使用大面积铜箔，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。如果必须使用大面积铜箔，最好采用栅格状，这样有利于铜箔与基板间粘合剂因受热产生的挥发性气体排出。大面积铜箔镂空开窗大面积铜箔的焊盘处理一字或十字连接15.高频电路布线一般原则1）高频电路中，集成块就近安装退耦电容，一方面保证电源线不受其它信号干扰，另一方面可将本地产生的干扰就地滤除，防止了干扰通过各种途径（空间或电源线）传播。2）高频电路的引线最好采用直线，如需转折采用135°折线或圆弧转折，减少高频信号对外的辐射和相互间的耦合。引脚间的引线越短越好，引线层间的过孔越少越好。16.金手指布线对外连接采用接插形式的印制板，为便于安装往往将输入、输出、馈电线和地线等均平行安排在板子的一边。输入线与输出线远离用地线隔开输入线与输出线其他引线分别布于两边输入线与电源线之间的距离要远一些间距不应小于1mm17.印制导线走向与形状

除地线外，同一印制板上导线的宽度尽量保持一致；印制导线的走线应平直，不应出现急剧的拐弯或尖角，所有弯曲与过渡部分一般用圆弧连接，其半径不得小于2mm；应尽量避免印制导线出现分支，如果必须分支，分支处最好圆滑过渡；从两个焊盘间穿过的导线尽量均匀分布。不合理走线合理走线

本任务通过市面常用的产品—声光控节电开关来介绍低频PCB设计，采用的设计方法是通过原理图的网络表文件调用封装和连线信息，然后进行手工布局、布线。

任务6.2了解声光控节电开关及设计前准备6.2.1产品介绍

声光控开关的面板和内部PCB图，该产品通过光敏电阻和驻极体话筒来控制开关只光线偏暗且有声音出现的时候自动点亮灯泡。

开关面板电路板正面电路板背面电路原理图桥式整流灯开关回路稳压电路产生5V直流电压给控制电路供电5V声光控制电路声光控节电开关电路原理图低电平白天，光线强的时候饱和低电平高电平高电平导通截止声光控节电开关电路原理图高电平光线暗没声音的时候截止截止高电平低电平声光控节电开关电路原理图高电平光线暗有声音的时候导通底电平高电平底电平高电平底电平截止声光控节电开关电路原理图亮灯后延迟控制电容放电

底电平高电平

底电平

设计前的准备工作主要进行原理图设计，完成元器件库中不存在的封装设计并在原理图中设置好相应的封装。1.原理图元器件设计2.元器件封装设计3.原理图设计6.2.2设计前准备1.原理图元器件设计灯泡符号1)灯泡光敏电阻符号2)光敏电阻2.元器件封装设计实物驻极体话筒MIC封装名称MIC10封装图形1）驻极体话筒，采用圆形焊盘，焊盘引脚号1、2，焊盘间距160mi，焊盘X、Y尺寸均为80mil，元器件外形半径200mil。12电解电容封装名称RB1/.2封装图形实物2）电解电容，采用圆形焊盘，焊盘间距100mil，焊盘X、Y尺寸均为80mil，元器件外形半径100mil。3D元件体”沿元件封装外框绘制封闭矩形，电解电容封装设计中正极不加“+”号，这样有利于减小元器件尺寸，封装中加阴影部分的焊盘为电解电容负极。。12横向表示负极2.原理图设计

参考前述电路图设计好电路原理，并设置好相关参数。声光控节电开关元器件参数表元器件类别元器件标号库元器件名元器件所在库元器件封装电解电容C1-C3CapPol1MiscellaneousDevices.InLibRB.1/.2（自制）磁片电容C4、C5CapMiscellaneousDevices.InLibRAD-0.11/8W电阻R1-R3、R5-R7、R9-R12Res2MiscellaneousDevices.InLibAXIAL-0.41W电阻R4Res2MiscellaneousDevices.InLibAxial-0.4压敏电阻RuResVaristorMiscellaneousDevices.InLibRAD-0.3集成电路U1CD4011BCNFSCLogicGate.IntLibN14A可控硅V1C106MMotorolaDiscreteSCR.IntLib77-08三极管V2、V32N3904MiscellaneousDevices.InLibBCY-W3/E4整流二极管VD1-VD7Diode1N4007MiscellaneousDevices.InLibDIO10.46-5.3x2.8检波二极管VD8-VD11Diode1N4148MiscellaneousDevices.InLibDIO7.1-3.9x1.9稳压二极管DW11N751AMotorolaDiscreteDiode.IntLib299-02驻极体话筒MICMIC2MiscellaneousDevices.InLibMIC10（自制）光敏电阻R8GM自制RAD-0.1灯泡LAMPLAMP自制无矩形单面板尺寸45mm×60mm2个直径7mm的电源接线柱2个直径3mm的圆形安装孔元器件离板边沿至少2mm6.2.3设计PCB时考虑的因素整流电路和可控硅控制电路，相对电流较大，集中放置在电源接线铜柱附近其它元器件围绕集成电路CD4011布局驻极体话筒位置首先定位电源接线柱、驻极体话筒、螺纹孔的位置。布局调整时应尽量减少网络飞线的交叉。布线采用交互式布线方式。整流电路和可控硅控制电路，线宽选用1.2mm，地线线宽1.5-2mm，其它线路线宽0.8-1.0mm。电源接线铜柱的布线采用覆铜放置大面积铜箔，以提高电流承受能力和稳定性。连线转弯采用45°或圆弧进行。

1.新建项目文件

执行菜单“文件”→“创建”→“项目”→“PCB项目”命令新建PCB项目，并将其另存为“声光控开关.PrjPCB”。2.规划PCB

用公制规划尺寸，板的尺寸为45mm×60mm。

执行菜单“文件→“创建”→“PCB文件”命令，新建PCB;执行菜单“文件”→“保存”命令，PCB保存为“声光控开关.PCBDOC”。6.3.1从原理图加载网络表和元器件封装到PCB任务6.3加载网络信息及手工布局

执行菜单“设计”→“PCB板选择项”命令。

执行菜单“设计”→“PCB板层次颜色”命令。

执行菜单“工具”→“优先设定”命令。

执行菜单“编辑”→“原点”→“设定”命令，定义相对坐标原点。

选择当前工作层为Mechanical1（机械层1），定义机械轮廓、驻极体话筒及螺纹孔的位置，以便于布局时的定位。KeepoutLayer（禁止布线层）沿着机械轮廓的外框重新定义PCB的电气轮廓。轮廓外框45mm×60mm螺纹孔的位置驻极体话筒位置电源接线柱位置

3.放置螺纹孔和电源接线铜柱

通过执行菜单“放置”→“焊盘”命令放置个焊盘：2个螺纹孔和2个接线铜柱。

螺纹孔：X、Y尺寸均为3mm，孔径3mm，形状Round，焊盘编号均设置为0；

接线铜柱：X、Y尺寸均为7mm，孔径5mm，形状Round，编号分别设置为1和2。

4.从原理图加载网络表和元器件封装到PCB

打开设计好的原理图文件“声光控开关.SchDoc”。执行菜单“项目管理”→“CompileDocument声光控开关.SchDoc”命令，对原理图文件进行编译，修改相应的错误和警告提示。

执行菜单“设计”→“UpdatePCBDocument声光控开关.PCBDOC”，弹出“工程变更订单”对话框。正确错误灯泡封装,错误忽略封装77-08未找到，加载所在封装库MotorolaDiscreteSCR.IntLib

从图中可以看出，系统自动建立了Room空间“声光控开关”，同时加载的元器件封装放置在规划好的PCB边界之外，因此还必须进行元器件布局。加载元器件后的PCB被加载的全部器件

<Ctrl>+鼠标滚轮：连续放大或缩小工作区窗口。<Shift>+鼠标滚轮：左右移动工作区窗口。鼠标滚轮：上下移动工作区窗口。<Alt>+<*>，*代表主菜单后的字母（如放置(P)）：打开相应主菜单，如<Alt>+<P>为打开“放置”主菜单。

6.3.2PCB设计中常用快捷键使用

1.通过Room空间移动元件用鼠标左键点住“声光控开关”Room空间，将Room空间移动到电气边框内。执行菜单“工具”→“放置元件”→“Room内部排列”，移动光标至Room空间内单击鼠标左键，元器件将自动按类型整齐排列在Room空间内，单击鼠标右键结束操作，此时屏幕上会有一些画面残缺，可执行菜单“查看”→“更新”命令来刷新画面。6.3.3声光控开关PCB手工布局2.手工布局调整元器件Room空间排列后，单击选中Room空间，按键盘<Del>键将其删除。手工布局就是通过移动和旋转元器件，根据信号流程和元器件布局基本原则将元器件移动到合适的位置，同时尽量减少元器件间网络飞线交叉。

用鼠标左键点住元器件不放，拖动鼠标可以移动元器件，在移动过程中按下<空格>键可以旋转元器件，一般在布局时不进行元器件的翻转，以免造成引脚无法对应。整流电路和可控硅控制电路，相对电流较大，集中放置在电源接线铜柱附近其它元器件围绕集成电路CD4011布局驻极体话筒MIC移动到指定的位置任务6.4声光控节电开关PCB手工布线设置电源接线铜柱的焊盘网络6.4.1焊盘调整NetLAMP_2

集成电路U1电源引脚网络设置NetRu_1

编辑焊盘尺寸所有电阻电容焊盘XY尺寸改为1.5mm网络VDD改为Vcc1.交互式布线参数设置6.4.2交互式布线及调整1.执行菜单“设置”→“规则”命令2.设置规则1.切换到BottomLayer执行“放置”→“交互式布线”2.根据网络飞线进行连线，线路连通后，该线上的飞线将消失3.完成声光控部分的线路连接2.手工布线4.按下键盘<Tab>键

修改TraceWidth为1.2mm5.完成整流电路和可控硅控制电

路的线路连接6.修改TraceWidth为1.5mm，完

成地线的线路连接7.连线中若间隙不足，可以适当

调整元器件的位置8.连线转弯要求采用45°或圆弧进行

在PCB设计中，有时需要用到大面积铜箔，如果是规则的矩形，可以通过执行菜单“放置”→“矩形填充”实现。如果是不规则的铜箔，则执行菜单“放置”→“铺铜”实现。

任务6.5覆铜设计及PCB调整1.放置覆铜

执行菜单“放置”→“覆铜”命令单击“确认”按钮放置覆铜拖动光标单击确定覆铜的第一个顶点位置依次移动并单击绘制一个封闭的覆铜空间1234562.设置覆铜链接方式执行菜单“设计”→“规则”命令执行菜单“工具”→“覆铜屏幕”→“重新对全部对象覆铜”命令

PCB布线完毕，要调整好丝网层的文字，以保证PCB的可读性，一般要求丝网层文字的大小、方向要一致，不能放置在元其件框内或压在焊盘上。

5.调整丝网文字露出板外标号过近，易错判字符在器件内部1.实训目的1）掌握声光控节电开关电路的原理。2）掌握低频板的布局布线规则。3）进一步掌握元器件封装的设计方法。4）掌握PCB交互式布线方法。5）掌握覆铜设计方法。技能实训8声光控节电开关PCB设计2.实训内容1）事先准备好图6-22所示的声光控节电开关原理图文件，并熟悉电路原理，观察声光控节电开关实物。2）进入PCB编辑器，新建PCB项目“声光控开关.PrjPCB”，新建PCB文件“声光控开关.PCBDOC”，新建元器件库文件“PcbLib1