《电子线路CAD教程-基于Altium Designer平台》课件第9章 双印制板设计举例

2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台第9章双印制板设计举例9.1原理图及PCB文件的准备9.2PCB文件准备9.3在原理图中更新PCB文件9.4元件布局9.5PCB板3D模型显示9.6布线操作

第6～第8章分别介绍了印制板设计基本概念与知识，以及AltiumDesigner内嵌PCB编辑器的基本操作方法、PCB库元件概念及维护。本章将以图9.1.2所示60WAPFC反激器PCB设计为例，逐一介绍双面PCB板的编辑过程及注意事项。2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台9.1原理图及PCB文件的准备

原理图编辑是印制板设计的前提和基础。对于同一电路系统来说，原理图中元器件电气连接与印制板中元器件连接关系完全相同，只是原理图中的元器件用“电气图形符号”表示，而印制板中的元器件用元件“封装图”描述；原理图中元器件连接关系采用具有电气属性的“导线”、“总线”、“总线分支”、“I/O端口”、“网络标号”等示意性图形表示，而在印制板中元器件连接关系用具有一定宽度的印制导线(铜线)、矩形填充区、实心多边形填充区、覆铜区等图件连接。2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台9.1.1设计环境创建与原理图准备

在编辑PCB文件(.PcbDoc)前，可按下列步骤创建项目文件及相关设计文件。

(1)执行“File”菜单下的“New\Project\PCBProject”命令，创建PCB类型项目文件(.PrjDoc)，并以“APFC反激(60W)”作为项目文件名保存。

(2)执行“File”菜单下的“New\Schematic”命令，创建原理图文件(.SchDoc)，并以“APFC单管(60W)”作为原理图文件名保存。

(3)在“元件库”面板内，分别装入用户元件库文件(包括元件电气图形符号库文件、PCB封装图库文件)。为提高软件运行速度，强烈建议装入用户元件库文件。

(4)执行“File”菜单下的“New\PCB”命令，创建PCB文件(.PcbDoc)，并以“APFC单管(60W)”作为PCB文件名保存。预先创建空白PCB文件的目的是为了在编辑原理图过程中，方便元件封装图的复制操作。

(5)执行“File”菜单下的“OpenProject…”命令，打开用户集成库文件包(LibPkg)。2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台至此，基本上建立了原理图编辑环境，项目管理器内文件结构如图9.1.1所示。图9.1.1为方便原理图编辑创建的设计环境2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台

在原理图编辑器状态下，编辑如图9.1.2所示的APFC反激变换器原理图文件。原理图文件编辑方法在第2、4章已介绍过，这里不再赘述。图9.1.2APFC反激变换器原理图

9.1.2原理图的编译与检查

检查原理图文件中元件连接关系是否正确，是否存在序号重复元件，以及每一元件对应的封装图是否存在、是否正确。1.原理图的编译

有些错误，如元件序号重复问题可通过执行“Project”(项目)菜单下的“CompileDocumentxxxx.SchDoc”(编译xxxx.SchDoc原理图文件)命令，在“Messages”(信息窗口)观察到。假设在图9.1.2中，存在两个序号为CY2的元件，则编译后将在“Messages”窗口内观察到序号重复的提示信息，同时在原理图上对应元件旁边还给出“波浪线”提示符，如图9.1.3所示。图9.1.3有问题元件旁用“波浪线”提示

2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台2.创建网络表

有些错误，如连线问题——漏连或多连，编译时不一定能发现，只能靠目视检查，或执行“Design”菜单下的“NetlistforProject”(适用于含有多张原理图的层次电路)或“NetlistforDocument”(当前文件)命令，并选择“Protel”类型，生成网络表文件后，再逐一检查、核对Protel类型网络表文件中每一节点上元件的连接关系。3.利用封装图管理器检查

在原理图编辑状态下，执行“Tools”菜单下的“FootprintManager…”(封装管理)命令，在图9.1.5窗口内，逐一检查原理图中每一元件的封装图是否存在，否则返回原理图编辑状态，在元件属性窗口内，添加元件封装模型。2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台图9.1.5封装图管理器界面

2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台9.2PCB文件准备9.2.1PCB文件创建

在原理图准备就绪后，就可以准备PCB文件。先骤创建一个新的空白的PCB文件。9.2.2PCB板边框设置

本例中的PCB板外形尺寸已确定，各部位尺寸(单位为mm)如图9.2.3所示。图9.2.3PCB外形尺寸

设置参考点(原点)→实用工具绘制PCB板边框→设置PCB边框，结果如图9.2.7所示。9.2.7由选中对象定义的图纸区外形

2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台9.2.3初步确定PCB工艺

在排版前，先根据原理图复杂度、使用环境、生产成本、性能指标等条件，初步确定PCB板工艺，原因是不同工艺的排版策略、排版质量不同，元件封装方式选择不完全相同。

本例中元件数目不多，连接关系也不复杂，考虑使用双面板，小功率元件以贴片封装为主，采用“单面SMD+THC”混装方式；当元件面布局困难时，再考虑将部分小功率低厚度贴片封装元件，如贴片电阻、电容，以及SOT-23封装三极管、二极管等放置到焊锡面内。9.3在原理图中更新PCB文件

单击“Project”按钮，切换到原理图SCH编辑状态，执行“Design”(设计)菜单下的“UpdatePCBDocumentxxx.PcbDoc”命令，将原理图中元件封装信息及其电气连接装入指定的PCB文件中，操作过程如下：(1)在SCH编辑状态下，执行“Design”(设计)菜单下的“UpdatePCBDocumentxxx.PcbDoc”命令，将弹出图9.3.1所示的工程更新信息。图9.3.1工程更新信息

(2)单击图9.3.1中的“ExecuteChanges”(执行更新)按钮，然后再单击“OnlyShowErrors”(仅显示错误)按钮，检查有无错误。2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台关闭后，即可发现原理图中元件封装图已自动装入PCB文件中，如图9.3.3所示。图9.3.3原理图文件中元件封装图已装入了PCB文件

2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台9.4元件布局

完成了PCB文件更新操作后，原理图中元件对应的PCB封装图及其连接关系已装入PCB文件中，接下来就可以进行元件布局操作。所谓布局就是将元件PCB封装图从布线区外移到PCB布线区内合适位置，布局操作好坏将直接影响PCB板的设计效果。1.设置元件移动步长将元件封装图移到PCB板布线区前，可先执行“Design”菜单下的“BoardOption…”命令，在图7.4.8所示窗口内，将元件移动步长固定为25mil，以保证穿通封装元件焊盘位于格点上，而光标移动步长X、Y固定为5mil(与元件移动步长最好保持整数倍关系)。2.安全间距设置在放置元件操作前，必要时，可借助“Design”菜单下的“Rules…”命令，设置元件安全间距。2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台

所谓元件安全间距就是元件间外轮廓线的最小距离，如图9.4.1所示。元件最小间距与元件封装绝缘方式、带电体电位差、贴片(或插件)方式(手工还是自动)有关。图9.4.1元件间距图例

元件安全间距设置操作过程如下：(1)执行“Design”菜单下的“Rules…”命令，在图9.4.3所示“设计规则”窗口内，单击“Placement”(放置)标签，并选择“ComponentClearance”(元件安全间距)。图9.4.3元件安全间距设置

(2)在图9.4.3所示窗口内，设置元件封装图外轮廓线水平方向、垂直方向最小距离(AltiumDesigner允许单独设置垂直方向间距)。3.元件安全间距检查

设置了元件安全间距后，当元件实际间距小于安全间距时，除了显示为警告色外，还可在“PCB面板”窗口内，以“RulesandViolations”作为浏览对象，在“规则分类”列表窗内，单击“ComponentClearanceConstraint”，并选中状态列表窗内的“On”，即可观察到图9.4.5所示的违反设计规则详细信息。图9.4.5违反设计规则详细列表

2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台9.4.2布局与布线前原理图的解读

在布局、布线前，一定要理解原理图的基本工作原理、用途，原理图由哪些单元电路组成、各单元电路工作电压大小及工作频率高低、哪些节点电压波动最大、哪些节点属于弱信号、每一支路电流大小、哪些元件发热量大、哪些元件怕热，以及成品按什么标准测试。所有这些问题在元件布局、PCB布线操作过程中必须做到心中有数，否则布局、布线操作就显得很盲目，甚至设计出的PCB板无法使用。1.大电流回路与开关节点2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台在本设计例中大电流回路、开关节点如图9.4.7粗线所示。图9.4.7大电流回路与开关节点

2.高发热元件与热敏感元件

例中高发热量元件包括了整流桥BR、高频变压器T1、开关管Q2，以及次级高频整流二极管D4～D5、输出滤波电容E2～E5；热敏感元件主要有光电耦合器件U2、APFC控制芯片U1、基准电压源U3等。3.弱信号线与弱信号电路在本例中，容易被强信号干扰的弱信号线(图9.4.8中的粗线)及弱信号电路(图9.4.8中带灰色背景的单元电路)包括：图9.4.8弱信号线与弱信号电路

2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台4.安全间距

由于初级侧电压差大，必须注意初级侧元件及导电图形的安全间距，初级-次级绝对等级高，两者间距必须保持6.0mm以上。2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台9.4.3元件分类

为便于元件管理与手工布局操作，可在“PCB面板”窗口内，以“Components”作为浏览对象。

在缺省状态下，PCB编辑器自动建立了“AllComponents”(全部元件)、“BottomSideComponents”(底层，即焊锡面内元件)、“InsideBoardComponents”(布线区内元件)、“OutsideBoardComponents”(布线区外的元件)、“TopSideComponents”(顶层，即元件面内元件)以及原理图对应的元件。

必要时，操作者可双击其中的某类元件(或执行“Design”菜单下的“Classes…”命令)进入图9.4.10所示的“对象分类管理器”窗口内。2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台图9.4.10对象分类管理器

将鼠标移到某一分类对象，如“AllComponents”上，单击右键，调出对象分类操作常用命令，选择其中的“AddClass”即可创建新的元件类别，然后再逐一将指定元件添加到新创建的元件类型中即可。2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台9.4.4元件手工布局

尽管电子CAD类软件都提供了所谓“自动布局”功能，AltiumDesigner也不例外，理论上，操作者可以借助“Tools”菜单下的“ComponentPlacement\AutoPlacer”命令完成元件的布局操作。但无论软件提供的“自动布局”功能如何完善，“自动布局”算法如何科学，也解决不了各类PCB设计过程中元件布局遇到的所有问题。实际上，一块元件布局合理、电磁兼容性能好、热稳定性高、工作可靠、便于批量生产的印制电路板并不能采用CAD软件中的自动布局功能，只能借助手工布局方式完成元件的布局。1.预布局(2)对照原理图，按信号流向、电位剃度由左到右大致确定不同单元电路在PCB板上的位置，如图9.4.13所示。图9.4.13按信号流向大致确定单元电路在PCB上的位置

(1)先放置对位置有特殊要求的元件。(3)热敏感元件尽量远离发热元件。(4)发热量大的元件，彼此之间不要靠得太近，避免通过热辐射效应相互加热。(5)为减小贴片、插件工艺的错误，板上或彼此相邻的同类型极性元件方向尽可能一致，如图9.4.13中的输出滤波电容E2～E5的极性尽可能相同。(6)在双面或多层板中，如果少量小尺寸贴片元件无法放在元件面内，也可以考虑将其在BottomLayer(焊锡)面内。2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台2.细调元件位置

如果布局后，拟采用“自动布线+手工修改”方式完成布线操作，则在完成了元件大致布局后，需要进一步细调元件位置。反之，在完成元件大致布局后，依靠手工布线操作时，则不需要精确调整元件位置，原因是可在手工连线操作过程中一边连线一边调整元件位置。9.5PCB板3D模型显示

在完成了元件布局操作后，可执行“View”菜单下的“SwitchTo3D”命令，进入3D显示状态，以便确认大尺寸元件间距、高度是否合理，操作过程如下：1.添加缺省的3D模型

如果PCB上大尺寸元件PCB封装图没有3D模型时，可先执行“Tools”菜单下的“Manage3DBodiesforComponentsOnBoard…”(管理PCB板上元件3D模型)命令给PCB板上的元件添加简易3D模型，如图9.5.1所示。图9.5.1管理PCB板上元件3D模型

在图9.5.1所示元件列表窗口内，逐一找出并单击需要填加3D模型的元件，如图9.5.1中的BR，并在“Interactive”窗口下，选择3D模型形状、高度、所在层、颜色等即可。当然，如果PCB板上的元件封装图已存在3D模型，可无须指定。也没有必要对所有元件，尤其是空间高度很小的贴片元件指定3D模型。2.进入3D显示状态

给一个或多个元件增加了3D简易模型后，即可执行“View”菜单下的“SwitchTo3D”命令，进入3D显示状态，观察3D显示效果，如图9.5.2所示。图9.5.2部分大尺寸元件3D显示效果

2025/1/7电子线路CAD实用教程——基于AltiumDesigner平台9.6布线操作

所谓布线操作是指通过手工或自动方式，用印制导线完成原理图中元器件的连接关系。布线是印制板设计过程中关键环节之一，并非“连通”了就万事大吉，不良的布线可能会降低电路系统抗干扰性能指标，甚至不能工作。9.6.1设置布线规则

在布线前，尤其是自动布线操作前，必须根据电路特征(如工作电压、电流容量、最高工作频率、可靠性指标、安规标准等)，执行“Design”菜单下的“Rules…”命令，检查并修改有关布线规则，如走线宽度、导线与导线之间以及导线与焊盘之间的最小距离、平行走线最大长度、走线方向、敷铜区与焊盘连接方式等是否满足要求(未设置时将采用缺省参数布线，但设计规则内的缺省参数难以满足各式各样印制电路板的布线要求),否则布线