1、第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台9.1原理图及原理图及PCB文件的准备文件的准备 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。 第9章 双印制板设计
2、举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台9.1.1 设计环境创建与原理图准备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“NewProjectPCB Project”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“NewSchematic”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
3、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“NewPCB”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“Open Project”命令，打开用户集成库文件包(LibPkg)。第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer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.
4、1.1所示。 图图9.1.1 为方便原理图编辑创建的设计环境为方便原理图编辑创建的设计环境第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer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。 图图9.1.2 APFC反激变换器原理图反激变换器原理图 9.1.2 原理图的编译与检查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“
5、Project”(项目)菜单下的“Compile Document xxxx.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。 图图9.1.3 有问题元件旁用有问题元件旁用“波浪线波浪线”提示提示 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer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
6、能发现，只能靠目视检查，或执行“Design”菜单下的“Net list for Project”(适用于含有多张原理图的层次电路)或“Netlist for Document”(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“Footprint Manager”(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。 第9章 双印制板设计举例202
7、2-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台图图9.1.5 封装图管理器界面封装图管理器界面 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台9.2 PCB文件准备文件准备9.2.1 PCB文件创建文件创建 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。 9.2.2 PCB板边框设置板边框设置 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。图图9.2.3 PCB外形尺寸外形尺寸 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
8、所示。9.2.7 由选中对象定义的图纸区外形由选中对象定义的图纸区外形 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台9.2.3 初步确定初步确定PCB工艺工艺 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
9、管等放置到焊锡面内。 9.3 在原理图中更新在原理图中更新PCB文件文件 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“Update PCB Document xxx.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“Update PCB Document xxx.PcbDoc”命令，将弹出图9.3.1所示的工程更新信息。 图图9.3.1 工程更新信息工程更新信息 (2) 单击图9.3.1中的“Execute Changes”(执行更新)按
10、钮，然后再单击“Only Show Errors”(仅显示错误)按钮，检查有无错误。 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer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。 图图9.3.3 原理图文件中元件封装图已装入了原理图文件中元件封装图已装入了PCB文件文件 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台9.4 元件布局元件布局 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
11、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“Board Option”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。 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Alt
12、ium Designer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。 图图9.4.1 元件间距图例元件间距图例 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“Component Clearance”(元件安全间距)。 图图9.4.3 元件安全间距设置元件安全间距设置 (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(Alt
13、ium Designer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“Rules and Violations”作为浏览对象，在“规则分类”列表窗内，单击“Component Clearance Constraint”，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。 图图9.4.5 违反设计规则详细列表违反设计规则详细列表 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台9.4.2 布局与布线前原
14、理图的解读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第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer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。 图图9.4.7 大
15、电流回路与开关节点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D4D5、输出滤波电容E2E5；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： 图图9.4.8弱信号线与弱信号电路弱信号线与弱信号电路 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台4. 安全间距 由于初级侧电压差大
16、，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。 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台9.4.3 元件分类元件分类 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“All Components”(全部元件)、“Bottom Side Components”(底层，即焊锡面内元件)、“Inside Board Components”(布线区内元件)、“Outside Board Component
17、s”(布线区外的元件) 、“Top Side Components”(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。 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台图图9.4.10 对象分类管理器对象分类管理器 将鼠标移到某一分类对象，如“All Components”上，单击右键，调出对象分类操作常用命令，选择其中的“Add Class”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
18、型中即可。 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台9.4.4 元件手工布局元件手工布局 尽管电子CAD类软件都提供了所谓“自动布局”功能，Altium Designer也不例外，理论上，操作者可以借助“Tools”菜单下的“Component PlacementAuto Placer”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CA
19、D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。 图图9.4.13 按信号流向大致确定单元电路在按信号流向大致确定单元电路在PCB上的位置上的位置 (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E2E5的极性尽可能相同。 (6) 在双面或多
20、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Bottom Layer(焊锡)面内。 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台2. 细调元件位置细调元件位置 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。 9.5 PCB板板3D模型显示模型显示 在完成了元件布局操作后，可执行“View”菜单下的“Switch To 3D”命令，
21、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“Manage 3D Bodies for Components On Board”(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。 图图9.5.1管理管理PCB板上元件板上元件3D模型模型 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
22、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“Switch To 3D”命令，进入3D显示状态，观察3D显示效果，如图9.5.2所示。 图图9.5.2 部分大尺寸元件部分大尺寸元件3D显示效果显示效果 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台9.6布线操作布线操作 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
23、，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),否则布线效果会很差。 图图9.6.1 设计规则设计规则 9.6.2 手工布线手工
24、布线 手工布线是PCB设计过程中最基本、最有效的布线方式。实践表明：一块布线质量优良、工作可靠、易于加工、成品率高的PCB板往往依靠全手工或自动与手工相结合的布线方式实现PCB板的连线操作，毕竟慢工出细活。在高频、微波、开关电源等电路中甚至只能用手工布线方式完成元器件间的互连，尽管许多主流PCB设计软件均提供了自动布线功能，但无论其布通率有多高、功能有多完善，都不可能完全满足特定PCB板的电磁兼容性要求。 本例手工布线结果如图9.6.23所示，在布线过程中已充分考虑了关键回路、节点布线要求。在双面板中，一般仅需考虑电源线布线，而地线一般用大面积敷铜区连接，以便形成相对完整的地平面或局部地平面(
25、在AC-DC变换器中，由于受最小爬电距离、串扰限制，一般多采用局部地平面方式)。 图图9.6.23 本例手工布线效果图本例手工布线效果图 第9章 双印制板设计举例2022-4-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台9.6.3 自动布线自动布线 完成了自动布线前的预处理后，就可以执行“Auto Route”菜单下的相应命令，启动自动布线进程。 9.6.4 布线后处理布线后处理1. 调整丝印制字符 2. 焊盘、过孔泪滴化处理 3. 根据PCB尺寸确定是否需要拼版或增加工艺边 4. 调整PCB板上穿通封装元件个别焊盘中心位置 一般情况下，焊盘中心与焊盘孔中心重合，在连线时可能会遇到安全间距与焊盘附着力要求相矛盾问题：为增加安全间距，可能被迫减小焊盘直径，但这会降低焊盘附着力，影响可靠性。为此，在Altium Designer PCB编辑器中可修改焊盘中心位置，使焊盘中心偏离焊盘孔中心，以增加焊盘与另一相邻导电图形的安全间距，如图9.6.31所示。 图图9.6.31 焊盘偏心设置焊盘偏心设置 5. 检测是否违反设计规则
