PCB电路设计本章介绍印刷电路板 (PCB 板 ) 设计的一些基本概念，如电路板、导线、元件封装、多层板等，并介绍印刷电路板的设计方法和步骤。通过这一章的学习，使读者能够完整地掌握电路板设计的全部过程。 5.1 PCB 电路 板的基本概念 5.1.1 P CB 电路板的概念 在学习 PCB 电路板设计之前，首先要了解一些基本的概念，对 PCB 电路板有一些了解。 一般所谓的 PCB 电路板有 Single Layer PCB （单面板）、 Double Layer PCB （双面板）。 四层板、多层板等。 单面板是一种单面敷铜，因此只能利用它敷了铜的一面设计电路导线和元件的焊接。 双面板是包括 Top （顶层）和 Bottom （底层）的双面都敷有铜的电路板，双面都可以布线焊接，中间为一层绝缘层，为常用的一种电路板。 如果在双面板的顶层和底层之间加上别的层，即构成了多层板，比如放置两个电源板层构成的四层板，这就是多层板。 通常的 PCB 板，包括顶层、底层和中间层，层与层之间是绝缘层，用于隔离布线层。它的材料要求耐热性和绝缘性好。早期的电路板多使用电木为材料，而现在多使用玻璃纤维为主。 在 PCB 电路板布上铜膜导线后，还要在顶层和底层上印刷一层 Solder Mask （防焊层），它是一种特殊的化学物质，通常为绿色。该层不粘焊锡，防止在焊接时相邻焊接点的多余焊锡短路。防焊层将铜膜导线覆盖住，防铜膜过快在空气中氧化，但是在焊点处留出位置，并不覆盖焊点。 对于双面板或者多层板，防焊层分为顶面防焊层和底面防焊层两种。 电路板制作最后阶段，一般要在防焊层之上印上一些文字符号，比如元件名称、元件符号、元件管脚和版权等，方便以后的电路焊接和查错等。这一层为 Silkscreen Overlay （丝印层）。多层板的防焊层分 Top Overlay （顶面丝印层）和 Bottom Overlay （底面丝印层）。 5.1.2 多层板概念 般的电路系统设计用双面板和四层板即可满足设计需要，只是在较高级电路设计中，或者有特殊需要，比如对抗高频干扰要求很高情况下才使用六层及六层以上的多层板。多层板制作时是一层一层压合的，所以层数越多，无论设计或制作过程都将更复杂，设计时间与成本都将大大提高。 如果在 PCB 电路板的顶层和底层之间加上别的层，即构成了多层板，比如放置两个电源板层构成多层板。 多层板的 Mid-Layer （中间层）和 Internal Plane （内层）是不相同的两个概念，中间层是用于布线的中间板层，该层均布的是导线，而内层主要用于做电源层或者地线层，由大块的铜膜所构成，其结构如图 5 1 所示。 图 5 1 多层板剖面图 在图 5 1 中的多层板共有 6 层设计，最上面为 Top Layer （顶层）；最下为 Bottom Layer( 底层 ) ；中间 4 层中有两层内层，即 InternalPlane1 和 InternalPlane2, 用于电源层；两层中间层，为 MidLayerl 和 MidLayer2 ，用于布导线。 5.1.3 过孔 过孔就是用于连接不同板层之间的导线。过孔内侧一般都由焊锡连通，用于元件的管脚插入。 过孔分为 3 种：从顶层直接通到底层的过孔称为 Thnchole Vias （穿透式过孔）；只从顶层通到某一层里层，并没有穿透所有层，或者从里层穿透出来的到底层的过孔称为 Blind Vias （盲过孔）；只在内部两个里层之间相互连接，没有穿透底层或顶层的过孔就称为 Buried Vias （隐藏式过孔）。过孔的形状一般为圆形。过孔有两个尺寸，即 Hole Size （钻孔直径）和钻孔加上焊盘后的总的 Diameter （过孔直径），如图 5 2 所示。 图 5 2 过孔的形状和尺寸 5.1.4 铜膜导线 电路板制作时用铜膜制成铜膜导线（ Track ），用于连接焊点和导线。铜膜导线是物理上实际相连的导线，有别于印刷板布线过程中的预拉线（又称为飞线）概念。预拉线只是表示两点在电气上的相连关系，但没有实际连接。 5.1.5 焊盘 焊盘用于将元件管脚焊接固定在印刷板上完成电气连接。焊盘在印刷板制作时都预先布上锡，并不被防焊层所覆盖。 通常焊盘的形状有以下三种，即圆形（ Round ）、矩形（ Rectangle ）和正八边形（ Octagonal ） ，如图 5 3 所示。图 5 3 圆形、矩形和正八边形焊盘 5.1.6 元件的封装 元件的封装是印刷电路设计中很重要的概念。元件的封装就是实际元件焊接到印刷电路板时的焊接位置与焊接形状，包括了实际元件的外型尺寸，所占空间位置，各管脚之间的间距等。 元件封装是一个空间的概念，对于不同的元件可以有相同的封装，同样一种封装可以用于不同的元件。因此，在制作电路板时必须知道元件的名称，同时也要知道该元件的封装形式。 1 元件封装的分类 普通的元件封装有针脚式封装和表面粘着式封装两大类。 针脚式封装的元件必须把相应的针脚插入焊盘过孔中，再进行焊接。因此所选用的焊盘必须为穿透式过孔，设计时焊盘板层的属性要设置成 Multi Layer ，如图 5 4 和图 5 5 所示。 图 5 4 针脚式封装 图 5 5 针脚式封装元件焊盘属性设置 SMT （表面粘着式封装）。这种元件的管脚焊点不只用于表面板层，也可用于表层或者底层，焊点没有穿孔。设计的焊盘属性必须为单一层面，如图 5 6 和图 5 7 所示。 图 5 6 表面粘着武元件的封装 图 5 7 表面粘着式封装焊盘属性设置 2 常见的几种元件的封装 常用的分立元件的封装有二极管类、晶体管类、可变电阻类等。常用的集成电路的封装有 DIP XX 等。 Protel 将常用的封装集成在 Miscellaneous Devices PCB PcbLib 集成库中。 二极管类 常用的二极管类元件的封装如图 5 8 所示。 电阻类 电阻类元件常用封装为 AXIAL XX ，为轴对称式元件封装。如图 5 9 所示就是一类电阻封装形式。 图 5 8 二极管类元件封装 图 5 9 电阻类元件封装 晶体管类 常见的晶体管的封装如图 5 10 所示， Miscellaneous Devices PCB PcbLib 集成库中提供的有 BCY W3 H.7 等。 集成电路类 集成电路常见的封装是双列直插式封装，如图 5 11 所示为 DIP 14 的封装类型。 图 5 10 晶体管的封装 图 5 11 DIP 14 封装 电容类 电容类分为极性电容和无极性电容两种不同的封装，如图 5 12 和图 5 一 13 所示。 图 5- 12 极性电容封装 图 5 13 无极性电容封装 Miscellaneous Devices PCB PcbLib 集成库中提供的极性电容封装有 RB7. 6 15 等，提供的无极性电容的封装有 RAD 0.1 等。 5.2 PCB 电路板的设计流程 PCB 电路板设计的流程如图 5 14 所示。 图 5 14 PCB 板设计流程图 1 设计原理图 这是设计 PCB 电路的第一步，就是利用原理图设计工具先绘制好原理图文件。如果在电路图很简单的情况下，也可以跳过这一步直接进人 PCB 电路设计步骤，进行手工布线或自动布线。 2 定义元件封装 原理图设计完成后，元件的封装有可能被遗漏或有错误。正确加入网表后，系统会自动地为大多数元件提供封装。但是对于用户自己设计的元件或者是某些特殊元件必须由用户自己定义或修改元件的封装。 3 PCB 图纸的基本设置 这一步用于 PCB 图纸进行各种设计，主要有：设定 PCB 电路板的结构及尺寸，板层数目，通孔的类型，网格的大小等，既可以用系统提供的 PCB 设计模板进行设计，也可以手动设计 PCB 板。 4 生成网表和加载网表 网表是电路原理图和印刷电路板设计的接口，只有将网表引人 PCB 系统后，才能进行电路板的自动布线。 在设计好的 PCB 板上生成网表和加载网表，必须保证产生的网表已没有任何错误，其所有元件能够很好的加载到 PCB 板中。加载网表后系统将产生一个内部的网表，形成飞线。 元件布局是由电路原理图根据网表转换成的 PCB 图，一般元件布局都不很规则，甚至有的相互重叠，因此必须将元件进行重新布局。 元件布局的合理性将影响到布线的质量。在进行单面板设计时，如果元件布局不合理将无法完成布线操作。在进行对于双面板等设计时，如果元件布局不合理，布线时。将会放置很多过孔，使电路板走线变得复杂。 5 布线规则设置 飞线设置好后，在实际布线之前，要进行布线规则的设置，这是 PCB 板设计所必须的一步。在这里用户要定义布线的各种规则，比如安全距离、导线宽度等。 6 自动布线 Protel 提供了强大的自动布线功能，在设置好布线规则之后，可以用系统提供的自动布线功能进行自动布线。只要设置的布线规则正确、元件布局合理，一般都可以成功完成自动布线。 7 手动布线 在自动布线结束后，有可能因为元件布局或别的原因，自动布线无法完全解决问题或产生布线冲突时，即需要进行手动布线加以设置或调整。如果自动布线完全成功，则可以不必手动布线。 在元件很少且布线简单的情况下，也可以直接进行手动布线，当然这需要一定的熟练程度和实践经验。 8 生成报表文件 印刷电路板布线完成之后，可以生成相应的各类报表文件，比如元件清单、电路板信息报表等。这些报表可以帮助用户更好的了解所设计的印刷板和管理所使用的元件。 9 文件打印输出 生成了各类文件后，可以将各类文件打印输出保存，包括 PCB 文件和其他报表文件均可打印，以便永久存档。 5.3 建立 SCH 文档 前面章节已经着重介绍了原理图的创建，这里不再详细介绍创建方法，具体设计参见第 2 、 3 、 4 章相关内容。 1 创建原理图 在这里创建一份简单的时钟发生器原理图，并以此为例，在本章后面章节中介绍如何设计相应的 PCB 电路板。设计的主要步骤如下： （ 1 ）从 Protel 的主菜单下执行命令 File/New PCB Project ，建立一份 PCB 设计项目，命名为 ClocK PRJPCB 。 （ 2 ）在该设计项目下新建一份 SCH 原理图，相应的菜单执行命令为 File/New/Schematic, 将其命名为 CLOCK SCHDOC 。 2 定义元件封装 在设计项目中，加人集成库 Miscellaneous Devices IntLib 。从中选择元件进行放置，并放置导线，完成它们之间的连接。设计完成后的效果如图 5 15 所示。 图 5 15 时钟发生器原理图 时钟发生器原理图中使用到的各元件封装如表 5 1 所示。 Designator DescriptionFootprint Comment C1 Capacitor c1005-0402 10n C2 Capacitor RAD-0.3 60p C3 Capacitor c1