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1、印制电路板设计基础知识 n设计印制电路板是整个工程设计的最终目的。原理图设计得再完美、如果电路板设计得不合理，性能将大打折扣，严重时甚至不能正常工作。制板商要参照用户所设计的PCB图来进行电路板的生产。由于要满足功能上的需要，电路板设计往往有很多的规则要求，如要考虑到实际中的散热和干扰等问题。n本章主要介绍印制电路板的结构、PCB编辑器的特点、PCB设计环境以及PCB设计流程等知识，使读者对电路板的设计有一个全面的了解。印制电路板的基础知识nPCB(印制电路板)主要功能是将各种元器件按照特定的电气规则连接在一起，使其具有指定的功能。随着电子设备的飞速发展，PCB的功能越来越多，PCB板的设计就
2、也越来越复杂。n印制电路板的概念于1936年由英国 Eisler博士提出，且首创了铜箔腐蚀法工艺；在二次世界大战中，美国利用该工艺技术制造印制板用于军事电子装置中，获得了成功，才引起电子制造商的重视；1953年出现了双面板，并采用电镀工艺使两面导线 互连；1960 年出现了多层板；1990 年出现了积层多层板；随着整个科技水平，工业水平的提高，印制板行业 得到了蓬勃发展。 印制电路板的结构和种类nPCB的种类n根据PCB板的制作板材不同，印刷板可以分为纸质板、玻璃布板、玻纤板、挠性塑料板。其中挠性塑料板由于可承受的变形较大，常用于制作印制电缆;玻纤板可靠性高、透明性较好，常用作实验电路板，易于
3、检查；纸质板的价格便宜，适用于大批量生产要求不高的产品。nPCB板的结构n根据印制电路板的结构，印刷板可以分成单面板、双面板和多层板三种。这种分法主要与PCB设计图的复杂程度相关。n单面板n双面板n多层板印制电路板设计流程n利用 Altium Designer来设计印制电路板时，如果需要设计的印制电路板比较简单，可以不参照印制电路板设计流程而直接设计印制电路板，然后手动连接相应的导线，以完成设计。但对于复杂设计的印制电路板时，可按照设计流程进行设计，如图6-1所示。图6-1 PCB设计步骤 新建PCB文件n在完成产品的原理图设计，进行了电气连接ERC检查，并生成了相关的网络表、元器件报表基础上
4、，就可以进入Altium Designer Summer 09的PCB设计环境进行印制电路板的设计了。nAltium Designer Summer 09 的PCB设计环境与前期的版本相比，并没有太多质的变化，依然是集成在Altium Designer的整体设计环境中。新建一个PCB文件的方法有多种，可通过执行相关命令，自行创建，或者使用系统提供的新建电路板向导。新建PCB文件n使用菜单命令创建新的PCB文件n启动Altium Designer Summer 09，在集成设计环境中执行【文件】/【新建】/【PCB】命令，如图6-2所示。n n图6-2 使用菜单新建PCB文件新建PCB文件n系统
5、在当前工程中新建了一个默认名为“PCB1.PcbDoc”的PCB文件，同时启动了【PCB Editor】，进入了PCB设计环境中，如图6-3所示。n 图6-3 新建一个PCB文件 新建PCB文件n使用模板n通过【Files】面板可创建带有PCB设计模板的PCB文件，与使用菜单命令创建的PCB文件有所不同。n打开【Files】面板，在【从模板新建文件】栏中，可以看到有“PCB Templates”和“PCB Projects”选项，如图6-4所示。n图6-4 从模板新建文件 新建PCB文件n新建一个PCI板卡PCB设计文件n创建一个标准的3.3V供电、32位数据长度的PCI总线的板卡PCB设计文
6、件，并将其保存在一个PCB工程中。n打开【Files】面板，在【从模板新建文件】栏中，单击选择“PCB Templates”或“PCB Projects”，则打开如图6-5所示的对话框。n对话框中提供了一些常用的工业PCB模板库，选择其中名为：“PCI short card 3.3V - 32BITPrjPCB”的文件，单击按钮。n图6-5 常用的工业PCB模板库 图6-6 新建了一个PCB设计文件及工程n系统即为用户生成了一个默认名为“PCB_Project1PrjPCB”的工程，该工程中包含了一个名为“PCI short card 3.3V - 32BITSchDOC”的原理图文件和一个名
7、为“PCI short card 3.3V - 32BITPCBDOC”的PCB文件，如图6-6所示。新建PCB文件n双击新建的PCB文件：“PCI short card 3.3V - 32BITPCBDOC”，则系统自动进入了PCB设计环境中，在编辑窗口内显示了一个标准的PCI板卡外形PCB板图，如图6-7所示。n执行【文件】/【保存为】命令，可以将工程另存为自己喜欢或者与设计相关的名字，如：“My PCI CardPrjPCB”。n之后，就可以在现成的PCI模板中开始下面的PCB设计了。n图6-7 带有PCI short card 3.3V-32BIT模板的PCB文件新建PCB文件n使用新
8、板向导创建一个PCB设计文件n打开【Files】面板，在【从模板新建文件】栏中，单击选择“PCB Board Wizard”，如图6-8所示。n 图6-8 选择“PCB Board Wizard” 图6-9 新板向导n系统弹出如图6-9所示的【PCB板向导】对话框。新建PCB文件n单击“下一步”按钮，进入如图6-10所示的电路板度量单位设置窗口，提示用户选择设置PCB上使用的尺寸单位，系统默认是英制。用户也可以选择公制尺寸单位，这在布画板子外形及尺寸时，对使用公制量具的用户比较有利，不用再经过公制到英制单位的转换。这里，我们使用默认的英制尺寸单位即可。n 图6-10 电路板度量单位选择 图6-
9、11 PCB板型配置n单击“下一步”按钮，进入选择电路板板型配置窗口，如图6-11所示。如果需要设计一款符合【AT Short Bus】总线工业标准的74.2 inches大小的PCB板，可在左侧栏中单击选择配置文件：“AT Short Bus 7x4.2 inches”，在右侧窗口中即可预览该配置文件的PCB板外观。新建PCB文件n多数情况用户准备设计的PCB板子形状是Altium Designer Summer 09库中没有的，这时就需要用户自定义电路板尺寸，此时应选择板型配置窗口中最上端的【Custom】选项。n选择【Custom】选项后单击“下一步”按钮，则进入电路板详细参数配置窗口，
10、如图6-12所示。n 图6-12 PCB板详细参数配置 新建PCB文件n单击“下一步”按钮，进入电路板层设置窗口，可以根据需要对PCB板进行板层设置。这里，对PCB板分别设定了2层信号层和2层内电层（电源平面），如图6-15所示。n单击“下一步”按钮，进入PCB板过孔设置窗口，用于选择过孔类型。有两个选项，分别是【仅通孔的过孔】、【仅盲孔和埋孔】，一般情况下应选择【仅通孔的过孔】选项，除非有特殊要求时使用盲孔和埋孔，如图6-16所示。n 图6-15 设置电路板层 图6-16 设置过孔类型 新建PCB文件n单击“下一步”按钮，进入选择组件和布线工艺窗口，如图6-17所示。此窗口用于设置所设计的P
11、CB板是以表贴元件为主还是通孔元件为主，以及是否要将元件放置在电路板的两面。n单击“下一步”按钮，进入选择默认线和过孔尺寸窗口，如图6-18所示。用于设置PCB板的最小导线尺寸、过孔尺寸以及导线之间的间距。n图6-17 选择组件和布线工艺 图6-18 选择默认线和过孔尺寸 新建PCB文件n单击“下一步”按钮，进入电路板向导完成窗口，如图6-19所示，表示所创建PCB文件的各项设置已经完成。n 图6-19 完成向导创建 新建PCB文件n单击“完成”按钮后，系统根据前面的设置已经生成了一个默认名为“PCB1.PcbDoc”新的PCB文件，同时进入PCB设计环境，在编辑窗口内显示一个默认尺寸的空白图
12、纸和一个空白的板子形状，如图6-20所示。n执行【文件】/【保存为】命令，选择适当位置将其另存为“New.PcbDoc”。至此，使用新建电路板向导，我们完成了空白PCB文件的创建。n图6-20 利用向导创建的PCB板PCB设计环境n如前所述，在创建了一个新的PCB文件，或者打开一个现有的PCB文件之后，我们也就启动了Altium Designer Summer 09 系统的PCB编辑器，进入了PCB的设计环境，如图6-21所示。状态栏板层标签布线工具栏实用工具栏菜单栏标准工具栏编辑窗口n图6-21 PCB设计环境PCB设计环境nAltium Designer Summer 09系统的PCB设计
13、环境与前期版本设计环境的布局以及操作方式十分类似，设计环境主要组成部分有如下几项。n菜单栏n像所有的EDA设计软件一样，Altium Designer Summer 09的菜单栏包含了各种基本的PCB操作命令，如图6-22所示。通过菜单栏内相应命令的选择操作，可为用户提供设计环境个性化设置、PCB设计、帮助等功能。n图6-22 菜单栏n工具栏n工具栏是Altium Designer Summer 09为方便用户操作，提高PCB设计速度而专门设计的快捷图标按钮组。在PCB设计环境中系统默认的工具栏有5组，其中在PCB设计中常用的工具栏有：n【PCB标准】工具栏：在这个工具栏中为用户提供了一些基本
14、操作命令，如文件打开、存贮、打印、缩放、快速定位、浏览元件等，如图6-23所示。n图6-23 【PCB标准工具栏】PCB设计环境n【应用程序】栏：在Altium Designer Summer 09所提供的中文版中将此项翻译为【应用程序】栏，我们认为称之为【实用工具】栏更为合适，如图6-24所示。该工具栏中每个按钮都另有下拉工具栏或菜单栏，分别提供了不同类型的绘图和实用操作，如放置走线、放置原点、调准、查找选择、放置尺寸、放置Room空间、网格设置等，用户可直接使用相关的图标按钮进行PCB设计工作。n【布线】工具栏：提供了在PCB设计中常用图元的快捷放置命令，这是在交互式布线时最常用到的工具栏
15、。这些命令包括放置焊盘、过孔、元件、铜膜导线、覆铜等，如图6-25所示。n图6-24 【实用工具】 图6-25 【布线】工具栏 PCB设计环境n【过滤器】工具栏：如图6-26所示。该工具栏根据用户正在设计的PCB中的网络标号、元件号或者属性等作为过滤参数，对全部PCB进行过滤显示，使符合设置条件的图元在编辑窗口内高亮显示。如：在图6-27中就高亮显示了使用【过滤器】工具栏过滤出的“+5V”网络。n 图6-26 【过滤器】工具栏 图6-27 高亮显示过滤出的“+5V”网络PCB设计环境n编辑窗口n编辑窗口即进行PCB设计的工作平台，它像一张画板，用于进行元件的布局和布线的有关操作。在编辑窗口中使
16、用鼠标的左右按键及滚轮可以灵活地查看、放大、拖动PCB板图，方便用户进行编辑。n板层标签n位于编辑窗口的下方，用于切换PCB板当前显示的板层，所选中板层的颜色将显示在最前端，如图6-28所示。表示此板层被激活，用户的操作均在当前板层进行。n用户可使用鼠标进行板层间的切换。当将鼠标移动到【板层标签】前端的“LS”处停留，可以看到系统提示点击“LS”可进行板层的管理，包括板层激活设置以及板层激活显示等。n图6-28 板层标签n状态栏n编辑窗口的最下方是系统状态栏，用于显示光标指向的坐标值、所指向元件的网络位置、所在板层和有关的参数以及编辑器当前的工作状态等，如图6-29所示。n图6-29 状态栏将
17、原理图信息同步到PCBn印制电路板的设计就是根据原理图，通过元件放置、导线连接以及覆铜等操作，来完成原理图电气连接的一个计算机辅助设计过程。在熟悉了Altium Designer Summer 09 的PCB编辑环境和特点后，我们就可以进行PCB板图的具体设计了。n首先应完成原理图设计，并由此产生用于PCB设计的电气连接网络表；之后，进入PCB设计环境，根据任务要求对PCB板的相关参数、电路板大小形状进行设置和规划，并使用系统提供的各种图元放置工具和布线工具完成PCB板的具体实现，并最终输出可供印制板厂商加工的设计文件。n下面我们将逐步介绍Altium Designer Summer 09中的
18、印制电路板设计过程。n要将原理图中的设计信息转换到即将准备设计的PCB文件中，首先应完成如下几项准备工作。n对工程中所绘制的电路原理图进行编译检查，验证设计，确保电气连接的正确性和元器件封装的正确性。n确认与电路原理图和PCB文件相关联的所有元件库均已加载，保证原理图文件中所指定的封装形式在可用库文件中都能找到并可以使用。n新建的空白PCB文件应在当前设计的工程中。将原理图信息同步到PCBnAltium Designer Summer 09系统提供了在原理图编辑环境和印制电路板编辑环境之间的双向信息同步能力：在原理图中使用【设计】/【Update PCB Document】命令，或者在PCB编
19、辑器中使用【设计】/【Import Changes From】命令均可完成原理图信息和PCB设计文件的同步。这两种命令的操作过程基本相同，都是通过启动工程变化订单（ECO）来完成，可将原理图中的网络连接关系顺利同步到PCB设计环境中。将原理图信息同步到PCBn将原理图信息同步到PCB设计环境中n前面我们绘制了倒车雷达原理图“R Radar.schDoc”，本例中将该原理图的有关信息同步到PCB设计环境中。n打开工程“R Radar.PrjPCB”，并打开工程中的原理图文件“R Radar.SchDoc”，进入原理图编辑环境中，如图6-30所示。n图6-30 原理图“R Radar.SchDoc
20、”将原理图信息同步到PCBn执行【工程】菜单中的【Compile Document R Radar.schDoc】命令，对原理图进行编译，如图6-31所示。编译后的结果在【Messages】面板中有明确的显示，若【messages】面板显示为空白，则表明所绘制的电路图已通过电气检查。n图6-31 编译原理图将原理图信息同步到PCBn参照前面介绍的新板向导方式建立一个空白的双层PCB文件，保存在工程文件夹下。根据产品要求，该PCB板的尺寸大小为：15cm10cm，转换为英制是：5905mil 3937mil，如图6-32所示。n图6-32 通过向导建立双层空白PCB文件将原理图信息同步到PCBn
21、在原理图环境中，执行【设计】/【Update PCB Document PCB1.PcbDoc】命令，系统打开【工程更改顺序】窗口。该窗口内显示了参与PCB板设计的受影响元器件、网络、Room等，以及受影响文档信息，如图6-33所示。n图6-33 【工程更改顺序】窗口将原理图信息同步到PCBn单击【工程更改顺序】窗口中的“生效更改”按钮，则在【工程更改顺序】窗口的右侧【检测】、【信息】栏中显示出受影响元素检查后的结果。检查无误的信息以绿色的“”表示，检查出错的信息以红色“”表示，并在【信息】栏中详细描述了检测不能通过的原因，如图6-34所示。n图6-34 检查受影响对象结果将原理图信息同步到P
22、CBn根据检查结果重新更改原理图中存在的缺陷，直到检查结果全部通过为止。单击“执行更改”按钮，将元器件、网络表装载到PCB文件中，如图6-35所示，实现了将原理图信息同步到PCB设计文件中。n图6-35 将原理图信息同步到PCB设计文件将原理图信息同步到PCBn关闭【工程更改】窗口，系统跳转到PCB设计环境中，可以看到，装载的元器件和网络表集中在一个名为“R Radar”的Room空间内，放置在PCB电气边界以外。装载的元器件间的连接关系以预拉线的形式显示，这种连接关系就是元器件网络表的一种具体体现，如图6-36所示。n图6-36 装入的元器件和网络表网络表的编辑n为添加的元件建立网络连接n本
23、例中，我们将为在PCB文件中新添加的一个电容元件“C130”建立网络连接，如图6-38所示。n图6-38 新添加的元件n执行【设计】/【网络表】/【编辑网络】命令，打开【网表管理器】。网络表的编辑n在【类中网络】栏，列出了当前PCB文件中所有的网络名称，选中其中的“NetC102_2”，此时右边的【类中Pin】栏列出了该网络内连接的所有元件引脚，如图6-39所示。n图6-39 【网表管理器】n单击【类中网络】窗口下面的按钮，打开【编辑网络】对话框。网络表的编辑n在【其他网络内Pin】栏中选中“C130-1”，单击按钮，加入到右侧的【该网络Pin】栏中，如图6-40所示。n图6-40 编辑网络n
24、单击“确定”按钮关闭【编辑网络】对话框，返回【网表管理器】，此时“C130”的1引脚已加入到网络“NetC102_2”中。网络表的编辑n若单击【类中网络】窗口下面的“添加”按钮，再次打开【编辑网络】对话框。在该对话框中建立一个名为“NetC130_2”的新网络，并将元件引脚“C130-2”和“IC102-12”加入到该网络中，如图6-41所示。n 图6-41 新建一个网络 图6-42 建立网络连接n单击按钮返回，关闭【网表管理器】。此时编辑窗口中的元件“C130”已经建立起了相应的网络连接，以预拉线的形式显示出来，如图6-42所示。思考与练习n概念题n（1）简述印制电路板的结构。n（2）简述印制电路板的设计流程。n（3）在Altium Designer Summer 09中，设计环境主要包括哪几项？ n（4）在Altium Designer Summer 09中，如何将原理图信息同步到PCB环境中？n操作题n（1）打开一个现有的PCB文件，查看其设计环境。n（2）对第3章操作题中所绘制的LT1568芯片应用电路原理图进行PCB设计，包括网络与元件封装的装入等。图3-47 LT1568电路原理图结束结束