Altium-Designer-14原理圖與PCB設(shè)計教程-第十章-PCB設(shè)計實例

1、第10章 實際PCB設(shè)計舉例10.1 PCB設(shè)計規(guī)則簡介本節(jié)簡要介紹PCB的設(shè)計原則和方法。10.1.1 布局（1）PCB設(shè)計的基本原則 電路功能完整。 滿足電磁兼容性的要求。 便于生產(chǎn)。 便于安裝和維護。 外觀整潔美觀。（2）PCB布局的一般原則 遵照“先大后小，先難后易”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件應(yīng)當優(yōu)先布局。 布局中應(yīng)參考原理框圖，根據(jù)單板的主信號流向規(guī)律安排主要元器件。 在保證電氣性能的前提下，元件應(yīng)放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，在一般情況下不允許元件重疊；元件排列要緊湊，元件在整個板面上應(yīng)分布均勻、疏密一致。 布局應(yīng)盡量滿足以下要求：a. 總的連線盡

2、可能短，關(guān)鍵信號線最短；b. 高電壓、大電流信號與小電流，低電壓的弱信號完全分開；c. 模擬信號與數(shù)字信號分開；d. 高頻信號與低頻信號分開；e. 高頻元器件的間隔要充分。 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。 以每個功能單元的核心元器件為中心，圍繞其進行布局。元器件應(yīng)均勻、整體、緊湊的排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。盡可能縮短高頻元器件之間的連接，設(shè)法減少他們的分布參數(shù)及和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互離的太近，輸入和輸出應(yīng)盡量遠離。 發(fā)熱元件一般應(yīng)均

3、勻分布，以利于單板和整機的散熱，除溫度檢測元件以外的溫度敏感器件應(yīng)遠離發(fā)熱量大的元器件。 元器件的排列要便于調(diào)試和維修，亦即小元件周圍不能放置大元件、需調(diào)試的元器件周圍要有足夠的空間。 對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關(guān)等可調(diào)節(jié)元器件的布局應(yīng)考慮整機的結(jié)構(gòu)要求。 應(yīng)留出PCB的定位孔和固定支架所占用的位置。 元件的去耦電容一定要盡量靠近元件的電源端。10.1.2 布線規(guī)則布線原則是在合理布局的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的。PCB布線原則與PCB布局原則類似，沒有統(tǒng)一的官方原則，也是在實際工程中總結(jié)出來的。PCB布線的一般原則：（1）銅線的寬度應(yīng)以自己所能承載的電流為基礎(chǔ)進行設(shè)計，銅線的載流能力

4、取決于以下因素：線寬、線厚（銅鉑厚度）、允許溫升等。（2）連線要精簡，盡可能短并盡量少拐彎，力求線條簡單明了，特別是在高頻回路中。但在高速電路布線中，為了阻抗匹配或信號同步的原因而延長走線的情況例外。（3）雙面板兩面的導(dǎo)線應(yīng)互相垂直、斜交或者彎曲走線，盡量避免平行走線，減小寄生耦合等。（4）PCB板上的信號走線盡量不換層，即盡量不要使用不必要的過孔。（5）石英晶體下面以及對噪聲敏感的器件下面不要走線。（6）由于制作工藝的局限，如無特殊需要，走線寬度最小不要小于8mil。（7）由于制作工藝的局限，如無特殊需要，走線的安全間距不要小于8mil。（8）模擬電壓輸入線、參考電壓端要盡量遠離數(shù)字電路信號

5、線，特別是時鐘信號線。（9）任何信號都不要形成環(huán)路，如不可避免，讓環(huán)路區(qū)盡量小。（10）印制板盡量使用45折線而不用90折線布線，以減小高頻信號對外的發(fā)射與耦合。（11）差分信號線，應(yīng)該成對走線，盡力使其平行并相互靠近，并且長短相差不大，盡量少打過孔，必須打孔時，應(yīng)兩線一同打孔。（12）同一網(wǎng)絡(luò)的布線寬度應(yīng)保持一致，因為線寬的變化會造成線路特性阻抗的不均勻，當傳輸?shù)乃俣容^高時會產(chǎn)生反射，在設(shè)計中應(yīng)盡量避免這種情況。10.1.3 接地線布線規(guī)則地線是電路系統(tǒng)最復(fù)雜的走線。地線處理不好，將會影響電路板的電氣性能甚至會導(dǎo)致設(shè)計失敗。接地方式必須根據(jù)實際電路功能的需要進行選擇，具體問題具體分析，有些復(fù)

6、雜的情況甚至需要借助軟件提供的仿真功能。本文無法給出所有情況下接地的原則，只能給出接地的一般性原則。（1）單點接地。工作頻率低（30MHz）的采用多點接地式。因為接地引線的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，所以要求地線的長度盡量短。采用多點接地時，盡量找最接近的低阻值接地面接地。（3）混合接地。工作頻率介于130MHz的電路采用混合接地式。當接地線的長度小于工作信號波長的1/20時，采用單點接地式，否則采用多點接地式。（4）數(shù)字地（數(shù)字電路系統(tǒng)的參考地）和模擬地（模擬電路系統(tǒng)的參考地）需要分開，即直流信號共地，交流信號地分開。（5）地線盡量粗

7、（減小地阻抗）。（6）針對復(fù)雜電路可以采用內(nèi)電層的方式處理地線（多層板地平面）。10.1.4 焊盤尺寸焊盤設(shè)計直接影響著元器件的焊接性、器件固定的穩(wěn)定性和元件器熱能傳遞，焊盤的設(shè)計在電子產(chǎn)品設(shè)計中起至關(guān)重要一環(huán)。焊盤外形設(shè)計必須與器件引腳吸錫處表征外形相一致，以保持焊錫能與焊盤以最大的吸錫面進行良好接觸。對非規(guī)則形狀焊盤，盡量做成規(guī)則形焊盤。非規(guī)則形器件焊盤要盡量想方設(shè)法的轉(zhuǎn)換成相類似規(guī)則形焊盤。表面貼裝類焊盤吸錫面應(yīng)比元器件的吸錫面大0.10.2mm。發(fā)熱量比較大的元器件，在散熱方向可比吸錫面大11.5mm。在重量比較重或者體積比較大的元器件中起固定作用的焊盤，可比吸錫面大0.5到1mm。

8、過孔類焊盤，其過孔一般不小于0.6mm（24mil），因為小于0.6mm的孔開模沖孔時不易加工，通常情況下以金屬引腳直徑值加上0.2mm作為焊盤內(nèi)孔直徑，如電阻的金屬引腳直徑為0.5mm時，其焊盤內(nèi)孔直徑對應(yīng)為0.7mm，焊盤直徑取決于內(nèi)孔直徑，表10-1給出了孔徑和焊盤直徑之間的對應(yīng)關(guān)系。對于超出上表范圍的焊盤直徑可用下列公式選取。（1）直徑小于0.4mm的孔：D/d0.53。（2）直徑大于2mm的孔：D/d1.52。式中D為焊盤直徑，d為內(nèi)孔直徑。10.2 設(shè)計實例本節(jié)通過一個具體實例說明實際如何規(guī)劃電路原理圖、如何進行PCB準備、如何合理布局布線以及如何生成一系列制作PCB的相關(guān)文件。本

9、節(jié)所給出的電路實例為一個雙路直流伺服電機的驅(qū)動器。該電路所用的元件名稱及封裝信息如表10-2所示。續(xù)表1新建工程和相關(guān)文件新建一個工程，工程名稱為Motor_Control。在工程文件中新建一個空白的原理圖文件，名稱命名為Motor_C.SchDoc；新建一個空白的原理圖庫文件，名稱命名為Motor_C.SchLib；新建一個空白的PCB文件，名稱命名為Motor_C.PcbDoc；新建一個空白的PCB庫文件，名稱命名為Motor_C.PcbLib。工程文件的組織形式如圖10-2-1所示。圖10-2-1 新建工程的文件組織形式2按照元器件手冊繪制原理圖符號庫本例中元件HIP4081和元件6N1

10、37的原理圖符號需要用戶進行繪制。手冊給出的HIP4081和6N137的原理圖符號如圖10-2-2和10-2-3所示。為了便于繪制原理圖，根據(jù)HIP4081的原理將其原理圖符號繪制為如圖10-2-4所示的樣式，繪制出的6N137的原理圖符號如圖10-2-5所示。圖10-2-2 圖10-2-3圖10-2-4圖10-2-53繪制原理圖本例原理圖圖紙為默認A4大小。該原理圖為典型的自左至右型電路，電路圖的信號走向為從左至右，如圖10-2-6所示。圖10-2-6 雙路直流伺服電機控制電路4為原理圖元器件設(shè)置序號 由于所設(shè)計的電路是驅(qū)動一架行走機器人的直流電機，所以所出現(xiàn)的元件序號中的L代表左方，而R代

11、表右方，凡是驅(qū)動左方電機的電路標號統(tǒng)一加入L，驅(qū)動右方電機的電路標號統(tǒng)一加入R，這樣便于讀懂電路的具體結(jié)構(gòu)。另外，本例電路中元件數(shù)量相對適中，建議手工對元件進行編號。5為原理圖元器件設(shè)置PCB封裝參照第3章3.6.2節(jié)所述的內(nèi)容添加Protel99SE的PCB Footprints.lib封裝庫。將文件PCB Footprints.lib拷貝至用戶所建的工程目錄下。添加該文件進入工程，如圖10-2-7所示。打開文件PCB Footprints.lib，通過標簽PCB Library可以瀏覽庫文件中的PCB封裝類型。通過瀏覽庫文件，可以看到庫文件中包含了本例大部分PCB封裝類型。電源器件的PCB

12、封裝屬于集成元器件庫，在BB Power Mgt Voltage Regulator.IntLib集成庫中可以查到SOT-223/ZZ311封裝。圖10-2-7 添加文件PCB Footprints.lib到工程參照第3章3.6節(jié)所述的方法為表10-2中的元件添加對應(yīng)的封裝。元件HIP4081的手冊中給出了該元件的PCB封裝參數(shù)，如圖10-2-14所示；圖10-2-14 HIP4081的PCB封裝參數(shù)IRLR7843元件的PCB封裝參數(shù)如圖10-2-15所示；圖10-2-15 IRLR7843的PCB封裝參數(shù)MBRAF1100T3G元件的PCB封裝參數(shù)如圖10-2-16所示；圖10-2-16

13、MBRAF1100T3G的PCB封裝參數(shù)多圈電位器的PCB封裝參數(shù)如圖10-2-17所示。參照第九章的相關(guān)內(nèi)容按照上述元件的封裝參數(shù)繪制PCB封裝。繪制完畢的封裝如圖10-2-18 圖10-2-21所示。圖10-2-17 多圈電位器的PCB封裝圖10-2-18 SOIC20封裝圖10-2-19 TO-252AA封裝圖10-2-20 403AA封裝圖10-2-21 3224POT封裝6將PCB文件變?yōu)辄c視圖打開工程中的PCB文件Motor_C.PcbDoc，利用【Page Up】鍵放大PCB文件，如圖10-2-22所示。默認PCB文件是網(wǎng)格視圖。一般情況下，當網(wǎng)格與PCB文件的背景色對比度太大，

14、當長時間進行繪圖操作時，這種大對比度視圖會對人眼造成不適。在這里筆者建議用戶將網(wǎng)格視圖改變?yōu)辄c視圖。圖10-2-22 默認PCB文件的網(wǎng)格執(zhí)行菜單命令DesignBoard Options，彈出如圖10-2-23所示的Board Options對話框。鼠標左鍵單擊【Grids】按鈕，彈出如圖10-2-24所示的Grid Manager對話框。在對話框中鼠標左鍵單擊【Menu】按鈕。圖10-2-23 Board Options對話框圖10-2-24 Grid Manager對話框在彈出的菜單中選擇Properties命令，彈出如圖10-2-25所示的Cartesian Grid Editor對話

15、框。在Display框架內(nèi)，將Fine和Coarse兩個屬性內(nèi)的Line修改為Dots，如圖10-2-26所示。圖10-2-25 Cartesian Grid Editor對話框圖10-2-26 將Fine和Coarse兩個屬性內(nèi)的Line修改為Dots鼠標左鍵單擊【OK】按鈕，界面返回Grid Manager對話框，單擊【OK】按鈕，界面返回Board Options對話框，單擊【OK】按鈕，即將網(wǎng)格視圖改變?yōu)辄c視圖，如圖10-2-27所示。圖10-2-27 PCB文件的點視圖7PCB板的尺寸和定位孔設(shè)定本例要求PCB為矩形，尺寸大小為100mm93mm。本例PCB有四個圓形定位孔，其位置坐

16、標為（5，5）、（95，5）、（5，88）和（95，88），單位為mm。定位孔直徑為3.2mm。PCB的外形繪制需要在兩個工作層上進行，分別是機械1層（Mechanical 1）和禁止布線層（Keep-Out Layer）。在繪制外形之前需要設(shè)定坐標原點。執(zhí)行菜單命令EditOriginSet，此時鼠標指針變?yōu)槭中螤?，在PCB的左下角單擊鼠標左鍵即可設(shè)定坐標原點，原點設(shè)定后，PCB上出現(xiàn)一個原點標記，如圖10-2-28所示。圖10-2-28 帶有坐標原點標記的PCB在機械1層（Mechanical 1）和禁止布線層（Keep-Out Layer）上從坐標原點處按給定的PCB尺寸繪制一個矩形邊

17、界，如圖10-2-29所示。Altium Designer軟件默認機械1層的顏色和禁止布線層的顏色相同，故從外形顏色上不能分辨外形邊界線所處的工作層。按照定位孔的坐標在PCB上放置定位孔。執(zhí)行菜單命令PlaceVia，在PCB左下角放置一個過孔，鼠標左鍵雙擊過孔彈出Via（mm）對話框，如圖10-2-30所示。圖10-2-29 PCB外形邊界圖10-2-30 Via（mm）對話框 由于是定位孔，過孔的孔徑和直徑應(yīng)當相同，即定位孔一般沒有焊盤。定位孔中需要穿過直徑為3mm的螺絲，所以定位孔的孔徑一般需要比3mm大一些，這里取孔徑為3.2mm。在Via（mm）對話框中將Hole Size（孔徑）和

18、Diameter（直徑）均設(shè)置為3.2mm；將Location中的坐標設(shè)置為（5，5），單擊【OK】按鈕進行確認，即按照定位孔位置放置完畢一個定位孔。按照上述方法依次按坐標位置放置其他三個定位孔。在固定PCB板時，除了要上螺絲和螺母外，為了增加固定的強度，一般還需要上平墊和彈墊。平墊的尺寸一般比螺絲帽要大一些。M3的平墊外徑為7mm，為了避免布線過程中導(dǎo)線距離定位孔過近而導(dǎo)致平墊壓在導(dǎo)線上造成短路，需要在定位孔外繪制一個圓形的禁止布線區(qū)，本例需要在四個定位孔外繪制四個圓形的直徑為5mm的禁止布線區(qū)，如圖10-2-32所示。放置有四個定位孔的PCB圖10-2-32 定位孔外繪制禁止布線區(qū)8PCB

19、板布局布線規(guī)則設(shè)定本例中線寬規(guī)則：最小線寬為10mil、最佳線寬為10mil、最大線寬為50mil。線寬規(guī)則如圖10-2-33所示。圖10-2-33本例中安全間距為10mil，如圖10-2-34所示。圖10-2-34 安全間距規(guī)則本例中過孔的尺寸為外徑1mm，內(nèi)徑0.6mm，如圖10-2-35所示。本例中其他規(guī)則采用軟件的默認值。圖10-2-35 過孔尺寸規(guī)則9從原理圖導(dǎo)入元件至PCB在原理圖界面中執(zhí)行菜單命令DesignUpdate PCB Document Motor_C.PcbDoc，彈出如圖10-2-36所示的Engineering Change Order對話框。鼠標左鍵單擊【Val

20、idate Changes】按鈕進行驗證。選中復(fù)選框Only Show Errors只顯示錯誤項，如果沒有錯誤項，取消復(fù)選框的選中狀態(tài)，鼠標左鍵單擊【Execute Changes】按鈕執(zhí)行更改，在執(zhí)行完畢后，再次選中復(fù)選框Only Show Errors只顯示錯誤項，若沒有錯誤，關(guān)閉Engineering Change Order對話框。此時元件已經(jīng)導(dǎo)入至PCB中，如圖10-2-37所示。將名稱為Motor_C的Room刪除。圖10-2-37 元件已經(jīng)導(dǎo)入至PCB圖10-2-36 Engineering Change Order對話框10布局本例采用手工布局。首先進行電源部分的布局。如圖10

21、-2-38所示，電源可位于電路板的四個角落中的任意位置?？紤]本例的電路是自左至右的形式，電源電路應(yīng)位于電路板的左上角。參照電路原理圖，電源電路的布局如圖10-2-39所示。接下來按照原理圖分別進行光耦電路的布局、H橋驅(qū)動電路的布局和H橋電路的布局。圖10-2-40給出了電路整體的參考布局。圖10-2-38 電源電路可處的位置圖10-2-39 電源電路布局電路的布局是十分靈活的，不同的工程師會有不同的電路布局。布局的大原則是元件就近原則，另外布局一定要以走線最簡便為原則。在布局過程中，時刻觀察電路預(yù)布線的走向，布局應(yīng)盡量減少預(yù)布線的交叉，這樣會提高電路的布通率。如果在布線的過程中遇到走線十分困難

22、的情況，一定要停止布線，觀察布局是否合理，若不合理，需要對布局進行微調(diào)甚至大幅度的調(diào)整，即使調(diào)整會使先前的布線前功盡棄。PCB布局布線就是考驗?zāi)托缘墓ぷ?，要相對完美地完成一塊電路板布局布線，有時候會進行相當多次的修改。從電路的整體布局中可以觀察到電路的結(jié)構(gòu)是自左至右的結(jié)構(gòu)，和電路的原理圖結(jié)構(gòu)完全一致。圖10-2-40 電路的整體參考布局11布線本例采用手工布線。布線首先應(yīng)當考慮電源的走線。本例先走+12V電源線。由于電機是靠+12V電源來驅(qū)動的，驅(qū)動電流較大（本例中電機正常工作時電流為500mA左右，兩個電機一共1A左右），故和電機相連的+12V電源線采用線寬為40mil的走線連通；H橋驅(qū)動電

23、路雖然也是+12V供電，但是工作電流并不大（mA級別），所以這部分供電采用線寬為25mil的走線連通，+12V電路網(wǎng)絡(luò)如圖10-2-41所示的高亮網(wǎng)絡(luò)。圖10-2-41 +12V電源網(wǎng)絡(luò)走線由于+5V電源電流不大，所以采用30mil線寬布線+5V電源網(wǎng)絡(luò)，如圖10-2-42所示的高亮網(wǎng)絡(luò)。注意，電源線應(yīng)當先進入去耦電容，再進入芯片，否則去耦電容就會失去意義。+3.3V電源的情況與+5V電源網(wǎng)絡(luò)類似，電流不大，所以采用30mil線寬進行布線，如圖10-2-43所示的高亮網(wǎng)絡(luò)。圖10-2-42圖10-2-43接下來依照電路原理圖開始自左至右分模塊進行布線。光耦電路模塊的布線如圖10-2-44所示，

24、采用20mil線寬進行布線。H橋驅(qū)動電路模塊的布線如圖10-2-45所示，采用20mil線寬進行布線。圖10-2-44 光耦電路模塊布線圖10-2-45 H橋驅(qū)動電路模塊布線H橋電路模塊的布線如圖10-2-46所示。由于驅(qū)動電機電流相對較大，MOSFET布線時需要采用40mil線寬，其他部分仍舊沿用20mil線寬。信號線布線完畢后，要進行最后一步，地線的繪制。本例電路基本上屬于數(shù)字電路，數(shù)字信號的邊沿存在豐富的頻率成分；電機驅(qū)動采用PWM信號，也屬于數(shù)字信號，故本例采用多點接地的方式。圖10-2-46 H橋電路模塊布線+3.3V系統(tǒng)的地線（GND）比較短，可以直接連接，電機驅(qū)動電路的地線（SGND）采用鋪銅的方式連接。+3.3V系統(tǒng)的地線線寬與電源線相同也是30mil，如圖10-2-47所示的高亮網(wǎng)絡(luò)。電機驅(qū)動電路的地線鋪設(shè)銅皮在Bottom Layer（底層），頂層貼片元件需要打過孔與底層的地線相連接