1、第10章 实际PCB设计举例10.1 PCB设计规则简介本节简要介绍PCB的设计原则和方法。10.1.1 布局（1）PCB设计的基本原则 电路功能完整。满足电磁兼容性的要求。便于生产。便于安装和维护。外观整洁美观。（2）PCB布局的一般原则 遵照“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局。布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件。在保证电气性能的前提下，元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列，以求整齐、美观，在一般情况下不允许元件重叠；元件排列要紧凑，元件在整个板面上应分布均匀、疏密一致。布局应尽量满足以下要求：a.总的连线尽可能短，关键信号
2、线最短；b.高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开；c.模拟信号与数字信号分开；d.高频信号与低频信号分开；e.高频元器件的间隔要充分。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。以每个功能单元的核心元器件为中心，围绕其进行布局。元器件应均匀、整体、紧凑的排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。尽可能缩短高频元器件之间的连接，设法减少他们的分布参数及和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互离的太近，输入和输出应尽量远离。发热元件一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，
3、除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。元器件的排列要便于调试和维修，亦即小元件周围不能放置大元件、需调试的元器件周围要有足够的空间。对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调节元器件的布局应考虑整机的结构要求。应留出PCB的定位孔和固定支架所占用的位置。元件的去耦电容一定要尽量靠近元件的电源端。10.1.2 布线规则布线原则是在合理布局的基础上总结出来的。PCB布线原则与PCB布局原则类似，没有统一的官方原则，也是在实际工程中总结出来的。PCB布线的一般原则：（1）铜线的宽度应以自己所能承载的电流为基础进行设计，铜线的载流能力取决于以下因素：线宽、线厚（铜铂厚度）、
4、允许温升等。（2）连线要精简，尽可能短并尽量少拐弯，力求线条简单明了，特别是在高频回路中。但在高速电路布线中，为了阻抗匹配或信号同步的原因而延长走线的情况例外。（3）双面板两面的导线应互相垂直、斜交或者弯曲走线，尽量避免平行走线，减小寄生耦合等。（4）PCB板上的信号走线尽量不换层，即尽量不要使用不必要的过孔。（5）石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线。（6）由于制作工艺的局限，如无特殊需要，走线宽度最小不要小于8mil。（7）由于制作工艺的局限，如无特殊需要，走线的安全间距不要小于8mil。（8）模拟电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线，特别是时钟信号线。（9）任何信号都不
5、要形成环路，如不可避免，让环路区尽量小。（10）印制板尽量使用45折线而不用90折线布线，以减小高频信号对外的发射与耦合。（11）差分信号线，应该成对走线，尽力使其平行并相互靠近，并且长短相差不大，尽量少打过孔，必须打孔时，应两线一同打孔。（12）同一网络的布线宽度应保持一致，因为线宽的变化会造成线路特性阻抗的不均匀，当传输的速度较高时会产生反射，在设计中应尽量避免这种情况。10.1.3 接地线布线规则地线是电路系统最复杂的走线。地线处理不好，将会影响电路板的电气性能甚至会导致设计失败。接地方式必须根据实际电路功能的需要进行选择，具体问题具体分析，有些复杂的情况甚至需要借助软件提供的仿真功能。
6、本文无法给出所有情况下接地的原则，只能给出接地的一般性原则。（1）单点接地。工作频率低（30MHz）的采用多点接地式。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。（3）混合接地。工作频率介于130MHz的电路采用混合接地式。当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。（4）数字地（数字电路系统的参考地）和模拟地（模拟电路系统的参考地）需要分开，即直流信号共地，交流信号地分开。（5）地线尽量粗（减小地阻抗）。（6）针对复杂电路可以采
7、用内电层的方式处理地线（多层板地平面）。10.1.4 焊盘尺寸焊盘设计直接影响着元器件的焊接性、器件固定的稳定性和元件器热能传递，焊盘的设计在电子产品设计中起至关重要一环。焊盘外形设计必须与器件引脚吸锡处表征外形相一致，以保持焊锡能与焊盘以最大的吸锡面进行良好接触。对非规则形状焊盘，尽量做成规则形焊盘。非规则形器件焊盘要尽量想方设法的转换成相类似规则形焊盘。表面贴装类焊盘吸锡面应比元器件的吸锡面大0.10.2mm。发热量比较大的元器件，在散热方向可比吸锡面大11.5mm。在重量比较重或者体积比较大的元器件中起固定作用的焊盘，可比吸锡面大0.5到1mm。过孔类焊盘，其过孔一般不小于0.6mm（2
8、4mil），因为小于0.6mm的孔开模冲孔时不易加工，通常情况下以金属引脚直径值加上0.2mm作为焊盘内孔直径，如电阻的金属引脚直径为0.5mm时，其焊盘内孔直径对应为0.7mm，焊盘直径取决于内孔直径，表10-1给出了孔径和焊盘直径之间的对应关系。对于超出上表范围的焊盘直径可用下列公式选取。（1）直径小于0.4mm的孔：D/d0.53。（2）直径大于2mm的孔：D/d1.52。式中D为焊盘直径，d为内孔直径。10.2 设计实例本节通过一个具体实例说明实际如何规划电路原理图、如何进行PCB准备、如何合理布局布线以及如何生成一系列制作PCB的相关文件。本节所给出的电路实例为一个双路直流伺服电机的
9、驱动器。该电路所用的元件名称及封装信息如表10-2所示。续表1新建工程和相关文件新建一个工程，工程名称为Motor_Control。在工程文件中新建一个空白的原理图文件，名称命名为Motor_C.SchDoc；新建一个空白的原理图库文件，名称命名为Motor_C.SchLib；新建一个空白的PCB文件，名称命名为Motor_C.PcbDoc；新建一个空白的PCB库文件，名称命名为Motor_C.PcbLib。工程文件的组织形式如图10-2-1所示。图10-2-1 新建工程的文件组织形式2按照元器件手册绘制原理图符号库本例中元件HIP4081和元件6N137的原理图符号需要用户进行绘制。手册给出
10、的HIP4081和6N137的原理图符号如图10-2-2和10-2-3所示。为了便于绘制原理图，根据HIP4081的原理将其原理图符号绘制为如图10-2-4所示的样式，绘制出的6N137的原理图符号如图10-2-5所示。图10-2-2 图10-2-3图10-2-4图10-2-53绘制原理图本例原理图图纸为默认A4大小。该原理图为典型的自左至右型电路，电路图的信号走向为从左至右，如图10-2-6所示。图10-2-6 双路直流伺服电机控制电路4为原理图元器件设置序号 由于所设计的电路是驱动一架行走机器人的直流电机，所以所出现的元件序号中的L代表左方，而R代表右方，凡是驱动左方电机的电路标号统一加入
11、L，驱动右方电机的电路标号统一加入R，这样便于读懂电路的具体结构。另外，本例电路中元件数量相对适中，建议手工对元件进行编号。5为原理图元器件设置PCB封装参照第3章3.6.2节所述的内容添加Protel99SE的PCB Footprints.lib封装库。将文件PCB Footprints.lib拷贝至用户所建的工程目录下。添加该文件进入工程，如图10-2-7所示。打开文件PCB Footprints.lib，通过标签PCB Library可以浏览库文件中的PCB封装类型。通过浏览库文件，可以看到库文件中包含了本例大部分PCB封装类型。电源器件的PCB封装属于集成元器件库，在BB Power
12、Mgt Voltage Regulator.IntLib集成库中可以查到SOT-223/ZZ311封装。图10-2-7 添加文件PCB Footprints.lib到工程参照第3章3.6节所述的方法为表10-2中的元件添加对应的封装。元件HIP4081的手册中给出了该元件的PCB封装参数，如图10-2-14所示；图10-2-14 HIP4081的PCB封装参数IRLR7843元件的PCB封装参数如图10-2-15所示；图10-2-15 IRLR7843的PCB封装参数MBRAF1100T3G元件的PCB封装参数如图10-2-16所示；图10-2-16 MBRAF1100T3G的PCB封装参数多
13、圈电位器的PCB封装参数如图10-2-17所示。参照第九章的相关内容按照上述元件的封装参数绘制PCB封装。绘制完毕的封装如图10-2-18 图10-2-21所示。图10-2-17 多圈电位器的PCB封装图10-2-18 SOIC20封装图10-2-19 TO-252AA封装图10-2-20 403AA封装图10-2-21 3224POT封装6将PCB文件变为点视图打开工程中的PCB文件Motor_C.PcbDoc，利用【Page Up】键放大PCB文件，如图10-2-22所示。默认PCB文件是网格视图。一般情况下，当网格与PCB文件的背景色对比度太大，当长时间进行绘图操作时，这种大对比度视图会
14、对人眼造成不适。在这里笔者建议用户将网格视图改变为点视图。图10-2-22 默认PCB文件的网格执行菜单命令DesignBoard Options，弹出如图10-2-23所示的Board Options对话框。鼠标左键单击【Grids】按钮，弹出如图10-2-24所示的Grid Manager对话框。在对话框中鼠标左键单击【Menu】按钮。图10-2-23 Board Options对话框图10-2-24 Grid Manager对话框在弹出的菜单中选择Properties命令，弹出如图10-2-25所示的Cartesian Grid Editor对话框。在Display框架内，将Fine和C
15、oarse两个属性内的Line修改为Dots，如图10-2-26所示。图10-2-25 Cartesian Grid Editor对话框图10-2-26 将Fine和Coarse两个属性内的Line修改为Dots鼠标左键单击【OK】按钮，界面返回Grid Manager对话框，单击【OK】按钮，界面返回Board Options对话框，单击【OK】按钮，即将网格视图改变为点视图，如图10-2-27所示。图10-2-27 PCB文件的点视图7PCB板的尺寸和定位孔设定本例要求PCB为矩形，尺寸大小为100mm93mm。本例PCB有四个圆形定位孔，其位置坐标为（5，5）、（95，5）、（5，88）
16、和（95，88），单位为mm。定位孔直径为3.2mm。PCB的外形绘制需要在两个工作层上进行，分别是机械1层（Mechanical 1）和禁止布线层（Keep-Out Layer）。在绘制外形之前需要设定坐标原点。执行菜单命令EditOriginSet，此时鼠标指针变为十字形状，在PCB的左下角单击鼠标左键即可设定坐标原点，原点设定后，PCB上出现一个原点标记，如图10-2-28所示。图10-2-28 带有坐标原点标记的PCB在机械1层（Mechanical 1）和禁止布线层（Keep-Out Layer）上从坐标原点处按给定的PCB尺寸绘制一个矩形边界，如图10-2-29所示。Altium
17、Designer软件默认机械1层的颜色和禁止布线层的颜色相同，故从外形颜色上不能分辨外形边界线所处的工作层。按照定位孔的坐标在PCB上放置定位孔。执行菜单命令PlaceVia，在PCB左下角放置一个过孔，鼠标左键双击过孔弹出Via（mm）对话框，如图10-2-30所示。图10-2-29 PCB外形边界图10-2-30 Via（mm）对话框 由于是定位孔，过孔的孔径和直径应当相同，即定位孔一般没有焊盘。定位孔中需要穿过直径为3mm的螺丝，所以定位孔的孔径一般需要比3mm大一些，这里取孔径为3.2mm。在Via（mm）对话框中将Hole Size（孔径）和Diameter（直径）均设置为3.2mm
18、；将Location中的坐标设置为（5，5），单击【OK】按钮进行确认，即按照定位孔位置放置完毕一个定位孔。按照上述方法依次按坐标位置放置其他三个定位孔。在固定PCB板时，除了要上螺丝和螺母外，为了增加固定的强度，一般还需要上平垫和弹垫。平垫的尺寸一般比螺丝帽要大一些。M3的平垫外径为7mm，为了避免布线过程中导线距离定位孔过近而导致平垫压在导线上造成短路，需要在定位孔外绘制一个圆形的禁止布线区，本例需要在四个定位孔外绘制四个圆形的直径为5mm的禁止布线区，如图10-2-32所示。放置有四个定位孔的PCB图10-2-32 定位孔外绘制禁止布线区8PCB板布局布线规则设定本例中线宽规则：最小线宽
19、为10mil、最佳线宽为10mil、最大线宽为50mil。线宽规则如图10-2-33所示。图10-2-33本例中安全间距为10mil，如图10-2-34所示。图10-2-34 安全间距规则本例中过孔的尺寸为外径1mm，内径0.6mm，如图10-2-35所示。本例中其他规则采用软件的默认值。图10-2-35 过孔尺寸规则9从原理图导入元件至PCB在原理图界面中执行菜单命令DesignUpdate PCB Document Motor_C.PcbDoc，弹出如图10-2-36所示的Engineering Change Order对话框。鼠标左键单击【Validate Changes】按钮进行验证。
20、选中复选框Only Show Errors只显示错误项，如果没有错误项，取消复选框的选中状态，鼠标左键单击【Execute Changes】按钮执行更改，在执行完毕后，再次选中复选框Only Show Errors只显示错误项，若没有错误，关闭Engineering Change Order对话框。此时元件已经导入至PCB中，如图10-2-37所示。将名称为Motor_C的Room删除。图10-2-37 元件已经导入至PCB图10-2-36 Engineering Change Order对话框10布局本例采用手工布局。首先进行电源部分的布局。如图10-2-38所示，电源可位于电路板的四个角落
21、中的任意位置。考虑本例的电路是自左至右的形式，电源电路应位于电路板的左上角。参照电路原理图，电源电路的布局如图10-2-39所示。接下来按照原理图分别进行光耦电路的布局、H桥驱动电路的布局和H桥电路的布局。图10-2-40给出了电路整体的参考布局。图10-2-38 电源电路可处的位置图10-2-39 电源电路布局电路的布局是十分灵活的，不同的工程师会有不同的电路布局。布局的大原则是元件就近原则，另外布局一定要以走线最简便为原则。在布局过程中，时刻观察电路预布线的走向，布局应尽量减少预布线的交叉，这样会提高电路的布通率。如果在布线的过程中遇到走线十分困难的情况，一定要停止布线，观察布局是否合理，
22、若不合理，需要对布局进行微调甚至大幅度的调整，即使调整会使先前的布线前功尽弃。PCB布局布线就是考验耐性的工作，要相对完美地完成一块电路板布局布线，有时候会进行相当多次的修改。从电路的整体布局中可以观察到电路的结构是自左至右的结构，和电路的原理图结构完全一致。图10-2-40 电路的整体参考布局11布线本例采用手工布线。布线首先应当考虑电源的走线。本例先走+12V电源线。由于电机是靠+12V电源来驱动的，驱动电流较大（本例中电机正常工作时电流为500mA左右，两个电机一共1A左右），故和电机相连的+12V电源线采用线宽为40mil的走线连通；H桥驱动电路虽然也是+12V供电，但是工作电流并不大
23、（mA级别），所以这部分供电采用线宽为25mil的走线连通，+12V电路网络如图10-2-41所示的高亮网络。图10-2-41 +12V电源网络走线由于+5V电源电流不大，所以采用30mil线宽布线+5V电源网络，如图10-2-42所示的高亮网络。注意，电源线应当先进入去耦电容，再进入芯片，否则去耦电容就会失去意义。+3.3V电源的情况与+5V电源网络类似，电流不大，所以采用30mil线宽进行布线，如图10-2-43所示的高亮网络。图10-2-42图10-2-43接下来依照电路原理图开始自左至右分模块进行布线。光耦电路模块的布线如图10-2-44所示，采用20mil线宽进行布线。H桥驱动电路模
24、块的布线如图10-2-45所示，采用20mil线宽进行布线。图10-2-44 光耦电路模块布线图10-2-45 H桥驱动电路模块布线H桥电路模块的布线如图10-2-46所示。由于驱动电机电流相对较大，MOSFET布线时需要采用40mil线宽，其他部分仍旧沿用20mil线宽。信号线布线完毕后，要进行最后一步，地线的绘制。本例电路基本上属于数字电路，数字信号的边沿存在丰富的频率成分；电机驱动采用PWM信号，也属于数字信号，故本例采用多点接地的方式。图10-2-46 H桥电路模块布线+3.3V系统的地线（GND）比较短，可以直接连接，电机驱动电路的地线（SGND）采用铺铜的方式连接。+3.3V系统的
25、地线线宽与电源线相同也是30mil，如图10-2-47所示的高亮网络。电机驱动电路的地线铺设铜皮在Bottom Layer（底层），顶层贴片元件需要打过孔与底层的地线相连接（多点接地），SGND网络的线宽为30mil，地线铺设的参数如图10-2-48所示。电机驱动电路的地线铺设如图10-2-49所示。至此完成PCB的绘制。图10-2-47图10-2-48图10-2-4912丝印层调整丝印层调整的目的是防止布线过程中过孔放置到丝印上，丝印摆放不合理而造成不清晰。利用快捷键【shift+S】将视图转化为单层视图，并将层选择为Top Overlay，如图10-2-50所示。观察丝印摆放是否合理，如不
26、合理则需要进行调整。本例的电路，所有芯片都处于竖向摆放，故丝印应该水平摆放在元件顶端或底端，若顶端或底端无法放置，则应水平摆放在元件的左侧或右侧。这样摆放便于焊接和调试人员快速定位相关的元件。图10-2-50 单层显示顶层丝印层13PCB布线后的简单检查通过软件提供的工具来统计PCB上的各项信息。在PCB界面中执行菜单命令ReportsBoard Information，弹出如图10-2-51所示的PCB Information对话框。从对话框中可以观察到本例PCB中共有走线（Tracks）872条，过孔（Vias）54个，铺设铜皮（Polygons）1个。可见本例PCB的走线数目并不算多，另外本例的PCB结构也相对简单。尽管如此，用户应当养成布线后对PCB进行检查的习惯，主要检查的项目为：（1）有无漏布的网络。（2）整体布局和局部布局是否合理。（3）有特殊要求的部分布线是否合理。图10-2-51 PCB Information对话框本例主要对项目（1）的检查进行说明，项目（2）和项目（3）属于电路知识范畴在此不做介绍。利用快捷键【shift+S】将视图转化为单层视图，通过观察每层的走线来判断是否有漏布线存在（还存在预布线），还可以观察走线是否美观合理。顶层布线和底层布线如图10-2-52和10-2-53所示。图10-2-50 PCB顶层布线图10-2-51 PCB底层布线
