Altium-Designer-14原理图和PCB设计第6章-PCB设计基础.ppt
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1、Altium-Designer-14原理图和PCB设计第6章-PCB设计基础 6.1 PCB的结构的结构印刷电路板(Printed Circuie Board,简称PCB)以一定尺寸的绝缘板为基材,以铜箔为导线,经特定工艺加工,用一层或若干层导电图层以及设计好的孔来实现元件间的电气连接关系。印刷电路的基板由绝缘隔热且不易弯曲的材质制作而成。在表面可以看到的细小线路的材料是铜箔,原本铜箔是覆盖在整个板子上的,而在制造过程中部分被蚀刻处理掉,留下来的部分就变成网状的细小线路了。这些线路就是用来提供PCB上元件的电路连接的。印刷电路板的出现与发展,给电子工业带来了重大的改革,极大地促进了电子产品的更
2、新换代。它具有以下优点:(1)实现了电路中各个元器件间的电气连接,代替了复杂的布线,简化了电子产品的装配、焊接、调试工作。(2)缩小了整机体积,降低了产品成本,提高了电子设备的质量和可靠性。(3)可以采用标准化设计,有利于装备生产的自动化和焊接的机械化,提高了生产率。(4)使电子设备便于实现单元模块化,便于整机产品的互换与维修。印刷电路板种类很多,根据布线层次可分为单面电路板(简称单面板)、双面电路板(简称双面板)和多层电路板(简称多层板)。1.单面板单面板单面板又称单层板(Single Layer PCB),是只有一个面敷铜,另一面没有敷铜的电路板。元件一般情况是放置在没有敷铜的一面,敷铜的
3、一面用于布线和元件焊接。它的特点是成本低但是仅适用于比较简单的电路设计,对于比较复杂的电路,布线非常困难。因为单面板在布线时只有一面,布线间不能交叉而且必须绕独自的路径。2.双面板双面板双面板又称双层板(Double Layer PCB),是一种双面敷铜的电路板,两个敷铜层通常被称为顶层(Top Layer)和底层(Bottom Layer)。两个敷铜面都可以布铜导线,顶层一般为放置元器件面,底层一般为元件焊接面。上下两层之间的连接是通过金属化过孔来实现的。由于两面均可以布线,对于比较复杂的电路,其布线比单面板布线的布通率要高。3.多层板多层板多层板(Multi Layer PCB)就是包括多
4、个工作层面的电路板,除了有顶层和底层之外还有中间层。顶层和底层与双层面板一样,中间层可以是导线层、信号层、电源层或接地层。层与层之间是相互绝缘的,层与层之间的连接需要通过孔来实现。随着集成电路技术的不断发展,元件的集成度越来越高,元件的引脚数目越来越多,元件的连接关系也越来越复杂,双面板已经不能满足布线的需要和电磁干扰的屏蔽要求,因此需要采用多层板。对于印刷电路板的制作而言,板的层数愈多,制作程序就愈多,失败率就会增加,成本也相对会提高,所以只有在高级的电路中才会使用多层板。目前两层板最容易制作。市面上所谓的四层板,就是顶层、底层再加上两个电源板层,技术也已经很成熟,而六层板就是四层板再加上两
5、层布线板层,只有在高级的主机板或布线密度较高的场合才会用到。至于八层板及以上,制作就比较困难了。6.2 元元 件件 封封 装装元件封装是指实际元件焊接到电路板时所指示的外观和焊点的位置,包括了实际元件的外形尺寸、所占空间位置以及各管脚之间的间距等。如图6-1所示为电阻、电容、二极管、三极管的封装。图6-1 电阻、电容、二极管、三极管封装元件封装是关于空间的概念,因此不同的元件可以共用同一个元件封装,如8031、8051等51系列的单片机,它们都是双列直插式的芯片,其管脚数目都是40个脚,都可以采用DIP40的封装形式;另一方面,同种元件也可以有不同的封装。如RES2代表电阻,但由于电阻的阻值、
6、功率可能不一样,因此它的封装形式有可能不一样,如 AXAIL-0.3、AXAIL-0.4、AXAI-L0.6 等。1.元件封装的分类元件封装的分类虽然电子元件的封装形式非常多,但是从大的方面来讲只有两类,分别是针插式元件封装和表面粘贴式元件封装。1)针插式元件封装针插式元件封装一般是针对针脚类元件而言的。该类元件在安装时需要把元件相应的针脚插入焊盘孔中,元件安装在顶面,而焊接在底面。由于该类元件的焊盘通孔贯通整个电路板,故在设计时焊盘板层的属性要设置成 Multi-Layer。2)表面粘贴式元件封装表面粘贴式元件封装(Surface-Mounting Device,SMD),又称贴片式元件封装
7、。使用该类元件封装的元件时,元件和焊盘位于同一面,即它的焊盘只能处于电路板的顶层或者底层,因此应将其焊盘属性设置成Top Layer或者Bottom Layer。我们以电阻为例,电阻有传统的针脚式封装,如图6-2中的AXIAL-0.4和AXIA-L0.7封装,这种封装元件体积较大,电路板必须钻孔才能安置元件,完成钻孔后,插入元件,然后再焊锡;电阻也有表面贴片式封装,如图6-2中的电阻RESC6332不必钻孔,其焊盘只限于表面板层,用钢膜将半熔状锡膏倒入电路板,再把SMD元件放上,即可将电阻焊接在电路板上了。图6-2 电阻的不同封装2.常见元件封装常见元件封装一些常见的标准的元件封装名称,是由“
8、元件类型+焊盘距离(或焊盘数)+元件外形尺寸”组成的。例如电阻AXIAL-0.3,AXIAL指轴状的,0.3则是该电阻在印刷电路板上的两个焊盘间的距离,也就是300 mil(英制单位);而8031的封装DIP40中的DIP是指双列直插器件,40是指共有40个管脚。下面我们就来认识一下常见元件的封装名称。1)电阻普通电阻类及无极性双端元件的标准封装为AXIAL-0.3AXIAL-1.0。电阻体积的大小完全是由该电阻的功率数来决定的。电阻功率不同,电阻体积的大小也不同,一般来说选用1/4W和甚至1/2W的电阻,都可以用AXIAL-0.3元件封装,而功率数大一点的话,可用AXIAL-0.4或AXIA
9、L-0.5封装。可变电阻类的封装为VRx,其中数字x表示元件类型。2)电容电容分为无极性和有极性两种。对于针脚类无极性的电容,其封装为RAD-0.1RAD-0.4;对针脚类有极性的电容如电解电容,其封装为RB.2/.4,RB.3/.6等,其中“.2”为焊盘间距,“.4”为电容圆筒的外径,一般电容容值小于100 F时用RB.1/.2,容值为100 F470 F时用RB.2/.4,容值大于470 F时用RB.3/.6。3)二极管针脚类二极管的封装与电阻类封装类似,不同的地方是二极管有正负之分。其封装名称为DIODE-0.4(小功率)和DIODE-0.7(大功率)。4)晶体管对于晶体管,直接看它的外
10、形及功率:大功率的晶体管,就用TO-3;中功率的晶体管,如果是扁平的,就用TO-220,如果是金属壳的,就用TO-66;小功率的晶体管,就用TO-5、TO-46、TO-92A等都可以。但是,3个脚中哪个为E极(发射极)、B极(基极)、C极(集电极),最好是根据具体元件来确定。5)集成电路对于常用的集成电路,有DIP、SIP和SO等封装,如图6-3所示。DIPxx是双列直插的元件封装,如DIP8表示双排,每排有4个引脚,两排间距离是300 mil,焊盘间的距离是100 mil;SIPxx是单列直插的封装;SO-xx是贴片的双列封装形式。图6-3 普通IC封装6.3 焊焊 盘盘 与与 过过 孔孔在
11、印刷电路板上,焊盘的主要作用是放置焊锡、连接导线和焊接元件的管脚。焊盘将元件管脚焊接固定在印刷电路板上,完成电气连接。它可以单独放在一层或多层上。对于表面安装的元件,焊盘需要放置在顶层或底层,而对于针插式元件,焊盘应处于多层(Multi Layer)。通常针插式焊盘的形状有三种,即圆形(Round)、矩形(Rectangle)和正八边形(Octagonal),如图6-4所示。图6-4 圆形、矩形和正八边形焊盘一般焊盘中心孔要比器件管脚的直径稍大一些,但是焊盘太大易形成虚焊。根据经验,孔的尺寸需要比管脚直径大0.10.2 mm。过孔用于连接不同板层之间的导线,其内侧壁一般都由金属连通。过孔的形状
12、类似与圆形焊盘,分为多层过孔、盲孔和埋孔3种类型。多层过孔:从顶层直接通到底层,允许连接所有的内部信号层。盲孔:从表层连到内层。埋孔:从一个内层连接到另一个内层。过孔尺寸大小需要根据载流量来设定,比如电源层和地线层比其他信号层连接所用的过孔都要大一些。6.4 铜膜走线和预拉线铜膜走线和预拉线在印刷电路板上,焊盘与焊盘之间起电气连接作用的是铜膜走线,通常也简称导线。导线也可以通过过孔把一个导电层和另一个导电层连接起来。PCB设计的核心工作就是如何布置导线。与导线有关的另外一种线常常称为“飞线”,即预拉线。飞线是导入网络表后,系统根据规则自动生成的,用来指引系统自动布线的一种连线。导线和飞线有着本
13、质的区别,飞线只是在逻辑上表示出各个焊盘间的连接关系,并没有物理的电气连接意义。导线则是根据飞线指示的各焊盘和过孔间的连接关系而布置的,是具有电气连接意义的连接线路。6.5 PCB设计流程以及基本原则设计流程以及基本原则6.5.1 PCB设计流程设计流程在使用Altium Designer 14设计PCB时,一般可以分为如图6-5所示的几个步骤。图6-5 PCB设计流程1.设计原理图和网络表设计原理图和网络表绘制正确的原理图和网络表。原理图是设计PCB板的前提,而网络表是连接原理图和PCB图的桥梁,所以在绘制PCB之前一定要先得到正确的原理图和网络表。原理图和网络表的设计与生成是电路板设计的前
14、期工作,在前面的章节中已经详细介绍过,这里不再赘述。2.创建创建PCB文档文档通过创建PCB文档,调出PCB编辑器,在PCB编辑环境中完成设计工作。3.规划电路板规划电路板绘制印刷电路板图之前,设计者还应首先对电路板进行规划,包括电路板是采用双层板还是多层板,电路板的形状、尺寸,电路板的安装方式,在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘,以及在禁止布线层上绘制PCB的外形轮廓等。这是一项极其重要的工作,是电路板设计的一个基本框架。4.装载封装库和网络表装载封装库和网络表要把元器件放置到印刷电路板上,需要先装载所用元器件的封装库,否则在将原理图信息导入到PCB时调不出元件封装,导致出现错误。网络
15、表是PCB自动布线的核心,也是电路原理图设计与印刷电路板设计之间的接口。只有装入网络表,才可以进行印刷电路板的自动布局和自动布线操作。5.布局布局布局就是将元件摆放在印刷电路板中的适当位置。这里的“适当位置”包含两个意思:一是元件所放置的位置能使整个电路板符合电气信号流向设计及抗干扰等要求,而且看上去整齐美观;二是元件所放置的位置有利于布线。元件布局包括自动布局和手工调整两个过程。自动布局是系统根据某种算法在电气边界内自动摆放元件的位置。如果自动布局不尽如人意,则再进行手工调整。6.设置布线规则设置布线规则对于有特殊要求的元件、网络标号,一般在布线前需要设置布线规则,比如安全间距、导线宽度、布
16、线层等。7.布线布线 布线操作既可以自动布线也可以手工布线,Altium Designer 14的自动布线功能十分强大,如果元件布局合理、布线规则设置得当,自动布线的成功率就会接近100%。自动布线后,设计者可以对不太合理的地方进行调整,重新布线,从而优化PCB的设计效果。8.生成报表以及打印输出生成报表以及打印输出完成电路板的布线后,将生成各种设计、生产需要的报表,并输出打印一些文件。按照上述流程设计出PCB图后,即可将该文档交给印刷电路板生产单位进行制作。6.5.2 PCB设计的基本原则设计的基本原则1.布局原则布局原则首先,要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗
17、噪声能力下降,成本也增加;其尺寸过小时,散热不好,且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后,再确定特殊元件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则:(1)尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。(2)某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。(3)重量超过15g的元器件,应当用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件,不宜装在印制板上,而应
18、装在整机的机箱底板上,且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。(4)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节,应放在印刷板上方便于调节的地方;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。(5)应留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局时要符合以下原则:(1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。(2)以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和
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