1、ProtelProtelProtelProtelProtelProtel 99 SE 99 SE 99 SE 99 SE 99 SE 99 SE应用与实例教程应用与实例教程应用与实例教程(第第第2 2 2 2 2 2版版版)第第第5 5 5章章章 PCBPCBPCB的设计的设计的设计 图图5-1 线性电源单面板线性电源单面板 图图5-2 驱动电路及外接驱动电路及外接IGBT电路双面板电路双面板5.1 5.1 5.1 PCBPCBPCB设计基础知识设计基础知识设计基础知识 （a）显示单面板顶层）显示单面板顶层（b）显示单面板底层）显示单面板底层图图5-3 单面板示意图单面板示意图 （a）显示顶层
2、）显示顶层（b）显示底层）显示底层图图5-4 双面板双面板图5-5 多层板5.1.1 5.1.1 5.1.1 电路板类型的选择电路板类型的选择电路板类型的选择5.1.2 5.1.2 5.1.2 电路板设计中常用工作层面电路板设计中常用工作层面电路板设计中常用工作层面图5-6 普通双面板包含的工作层面图5-7 双面电路板示例 图5-8 顶层信号层 图5-9 底层信号层图图5-10 顶层丝印层顶层丝印层 图5-11 禁止布线层 图5-12 多层面5.1.3 5.1.3 5.1.3 认识电路板上的图件认识电路板上的图件认识电路板上的图件图5-13 电路板的PCB文件安装孔元器件焊盘过孔矩形填充导线接
3、插件电路板边界多边形填充5.1.4 5.1.4 5.1.4 电路板的电气连接方式电路板的电气连接方式电路板的电气连接方式5.1.5 PCB5.1.5 PCB5.1.5 PCB设计的基本原则设计的基本原则设计的基本原则5.1.6 PCB5.1.6 PCB5.1.6 PCB设计的基本流程设计的基本流程设计的基本流程5.1.7 PCB5.1.7 PCB5.1.7 PCB编辑器简介编辑器简介编辑器简介 图5-31 放置工具栏 图5-32 【Place】菜单 图5-33 原理图管理窗口项目 图5-34 浏览网络标号图5-35 浏览元器件图5-36 浏览载入的元器件封装库图5-37 浏览设计规则5.1.8
4、 5.1.8 5.1.8 载入元器件封装库载入元器件封装库载入元器件封装库 图5-38 浏览元器件封装库的模式 图5-39【PCB Libraries】对话框 图5-40 添加元器件库文件的结果 图5-41 添加元器件封装库文件后的结果5.1.9 PCB5.1.9 PCB5.1.9 PCB设计工作参数的设置设计工作参数的设置设计工作参数的设置 图5-42【图层堆栈管理器】对话框图5-43 【Menu】菜单选项图5-44【系统参数设置】对话框 图5-45【工作层面颜色设置】对话框 图5-46 【Choose Color】对话框 图5-47【文档参数设置】对话框图5-48 设置【工作窗口环境参数】
5、对话框5.1.10 5.1.10 5.1.10 规划电路板规划电路板规划电路板 图5-49 放置好的4条线段 图5-50 修改下边界线段的坐标图5-51 调整好的电气边界 图5-52 修改电路板安装孔的尺寸 图5-53 放置好安装孔的结果5.2 5.2 5.2 线性电源线性电源线性电源单面板设计单面板设计单面板设计图图5-54 5-54 三端集成稳压器构成的三端集成稳压器构成的+15 V+15 V线性电源线性电源图图5-55 新建新建PCB设计文件设计文件图图5-56 设置电路板的类型设置电路板的类型图图5-57 规划好的电路板规划好的电路板 图5-58【载入网络表文件】对话框 图5-59【选
6、择网络表文件】对话框 图图5-60 添加网络标号的结果添加网络标号的结果 图图5-61 载入网络标号和元器件封装后的载入网络标号和元器件封装后的PCB编辑器编辑器图图5-62【布线设计规则布线设计规则】对话框对话框图图5-63 选中选中【Routing Layers】后的结果后的结果 图5-64【布线工作层面限制设计规则】对话框图5-65 禁止在电路板的顶层布线图5-66 安全间距限制设计规则的设置图5-67 布线宽度设计规则的设置图图5-68 短路限制设计规则的设置短路限制设计规则的设置 图5-69 元器件布局的结果 图5-70【自动布线器参数设置】对话框 图5-71 自动布线的结果 图5-
7、72 手动调整的结果图5-73 调整好的电路板图5-74 单面板的3D效果图5.35.35.3驱动电路及外接驱动电路及外接驱动电路及外接IGBTIGBTIGBT电路的双面板设计电路的双面板设计电路的双面板设计5.3.1 准备电路原理图设计设计好的驱动电路及外接IGBT电路的电路原理图如图5-75所示。（a）驱动电路（a）驱动电路（b）外接IGBT电路图5-75 驱动电路及外接的IGBT电路（b）外接）外接IGBT电路电路图图5-75 驱动电路及外接的驱动电路及外接的IGBT电路电路在图5-75所示的驱动电路中还应当添加驱动信号外接的接插件，添加的接插件如图5-76所示。图图5-76 添加的驱动
8、信号接插件添加的驱动信号接插件5.3.2 5.3.2 5.3.2 创建一个创建一个创建一个PCBPCBPCB设计文件设计文件设计文件（1）执行菜单命令【File】|【New】，打开【New Docment】（新建文件）对话框，如图5-77所示。图图5-77【新建文件】对话框【新建文件】对话框（2）选择【PCB Document】图标，然后，单击 按钮，系统将会自动创建一个PCB设计文件。（3）将该PCB设计文件更名为“双面板.PCB”，结果如图5-78所示。图图5-78 新建的新建的PCB设计文件设计文件（4）在PCB文件上双击鼠标左键，即可激活PCB编辑器，进入PCB设计文件编辑窗口，如图5
9、-79所示。图图5-79 PCB设计文件编辑窗口设计文件编辑窗口5.3.3 PCB5.3.3 PCB5.3.3 PCB设计的前期准备设计的前期准备设计的前期准备规划电路板的结果如图5-80所示。图图5-80 规划好的双面板规划好的双面板电路板的类型设置为双面板，工作层面显示/隐藏属性及栅格参数的设置如图5-81所示，工作环境参数的设置如图5-82所示。5.3.4 5.3.4 5.3.4 将电路原理图设计更新到将电路原理图设计更新到将电路原理图设计更新到PCBPCBPCB中中中（1）将工作窗口切换到原理图编辑器窗口。（2）选取菜单命令【Design】|【Update PCB】，打开【Update
10、 Design】（更新PCB设计）对话框，如图5-83所示。（3）单击 按钮，执行更新PCB设计的命令。将工作窗口切换到PCB编辑器，更新后的电路板设计如图5-84所示。5.3.5 PCB5.3.5 PCB5.3.5 PCB编辑器管理窗口简介编辑器管理窗口简介编辑器管理窗口简介1网络标号（1）在PCB编辑器中，单击 标签，切换到PCB编辑器管理窗口。（2）单击【Browse】选项区域中文本框后的 按钮，在弹出的下拉列表中选择【Nets】（网络标号）选项，将PCB编辑器管理窗口切换到浏览网络标号的模式，如图5-85图5-86所示。以查找网络标号“NetU201_4”为例介绍在网络标号列表栏中查找
11、网络标号的操作步骤。（1）单击网络标号列表栏中的任意一个网络标号，激活网络标号列表栏。（2）在键盘上输入需要查找的网络标号的首字母，如图5-87所示。（3）浏览网络标号，并选中网络标号“NetU201_4”。2元器件以查找元器件“D101”为例介绍快速查找和定位元器件的方法。（1）单击元器件列表栏中的任意一个元器件，激活元器件列表栏。（2）在键盘上输入需要查找的元器件的首字母，如图5-91所示。5.3.6 5.3.6 5.3.6 元器件布局元器件布局元器件布局1元器件布局的基本要求（1）机械结构方面的要求（2）散热方面的要求（3）电磁干扰方面的要求（4）其他要求 具体到元器件的放置方法，应当做
12、到各元器件排列、分布要合理均匀，力求达到整齐美观、结构严谨的工艺要求（5）电阻、二极管的放置分为平放与竖放两种。（6）电位器/IC座的放置原则2交互式元器件布局的基本步骤图图5-94 元器件布局流程元器件布局流程3 3关键元器件的布局关键元器件的布局对所有的元器件进行分类，找出电路板上的关键元器件。放置关键元器件。锁定关键元器件。锁定放置好的关键元器件的方法。（1）根据电路设计的要求，放置好关键元器件。（2）将鼠标移到需要锁定的元器件上，然后双击鼠标左键，打开【元器件属性】对话框，如图5-95所示。（3）在【元器件属性】对话框中选中【Locked】（锁定）选项后的复选框即可锁定当前元器件。如图
13、5-96所示。4 4元器件的自动布局元器件的自动布局设置与元器件布局有关的设计规则。选择自动布局的方式，并进行自动布局的操作。图图5-97【元器件布局设计规则】对话框【元器件布局设计规则】对话框在【Rule Classes】列表框中有5个选项可以进行设置，各选项具体的功能如下。【Component Clearance Constrain】（元器件安全间距限制）：设置自动布局过程中元器件之间的最小距离。【Component Orientations Rule】（元器件方位约束）：设置元器件放置的方位。【Nets to Ignore】（可以忽略的电气网络）：设置元器件自动布局时可以忽略的电气网络。
14、【Permitted Layers Rule】（允许放置元器件的工作层面）：设定允许放置元器件的工作层面。【Room Definition】（定义块）：将具有相同电气特性的电路定义成一个块，以方便管理。元器件安全间距限制设计规则的设置。（1）单击【Component Clearance Constrain】选项，打开【元器件安全间距限制设计规则选项】对话框，如图5-98所示。图图5-98【元器【元器件安全间距限件安全间距限制设计规则选制设计规则选项】对话框项】对话框（2）选中系统默认的元器件安全间距，然后，单击 按钮，打开【Component Clearance】（元器件安全间距限制设计规则）
15、对话框，如图5-99所示。图图5-101 设置好元器件安全间距限制设计规则设置好元器件安全间距限制设计规则后的对话框后的对话框（3）设置好安全间距限制设计规则后，单击 按钮即可回到【元器件安全间距限制设计规则】设置选项对话框。（4）在PCB编辑器中，执行菜单命令【Tools】|【Auto Placement】|【Auto Placer】，打开下一级自动布局的子菜单，如图5-102所示。（5）执行菜单命令后，将会打开【Auto Place】（元器件自动布局）对话框，如图5-103所示。（6）选中【Statistical Placer】前的单选框，即可打开基于统计布局方式的自动布局对话框，如图5-
16、104所示。（7）设置好元器件自动布局参数后，单击 按钮即可开始元器件的自动布局。图5-105所示为选中成组布局方式，并同时选中【Quick Component Placement】复选框后自动布局的结果。图图5-104 统计布局方式下的元器件自动布局对统计布局方式下的元器件自动布局对话框话框图图5-105 自动布局后的结果自动布局后的结果5元器件布局的自动调整（1）排列元器件。在PCB编辑器中选中待排列的元器件，结果如图5-106所示。执行菜单命令【Tools】|【Interactive Placement】，将会打开排列元器件的命令菜单，如图5-107所示。执行菜单命令【Align】，打开
17、【Align Component】（排列元器件）对话框，如图5-108所示。单击 按钮，自动执行排列元器件的命令，结果如图5-110所示。（2）排列元器件的序号和注释文字。选中需要排列序号和注释文字的元器件。执行菜单命令【Tools】|【Interactive Placement】|【Position Component Text】，打开【Component Text Position】（元器件文本位置）对话框，如图5-111所示。设置好元器件序号和注释文字的排列位置后，单击 按钮，则系统将会按照设置好的规则自动调整元器件序号和注释文字，结果如图5-112所示。图图5-112 调整好元器件序号
18、和注释文字后的结果调整好元器件序号和注释文字后的结果6手工调整手工调整元器件布局的操作主要包括对元器件进行移动和旋转等。对元器件自动布局手工调整后的结果如图5-113所示。7网络密度分析（1）执行菜单命令【Tools】|【Density Map】（网络密度分析），系统将会自动生成网络密度分析结果，如图5-114所示。（2）按End 键或执行重新刷新屏幕的菜单命令【View】|【Refresh】，即可清除密度分析图。图图5-114 网络密度分析图网络密度分析图83D效果图（1）执行菜单命令【View】|【Board in 3D】，PCB编辑器的工作窗口变为3D仿真图形，如图5-115所示。（2）
19、3D效果图预览工作窗口与PCB编辑器中的其他窗口一样，可以进行切换和关闭。图图5-115 3D效果图效果图5.3.7 5.3.7 5.3.7 5.3.7 5.3.7 5.3.7 电路板电路板电路板布线布线布线1 1设置布线设计规则设置布线设计规则【Clearance Constraint】（安全间距限制设计规则）：该项设计规则用来设置电路板布线过程中导电图件之间的最小距离【Short Circuit】（短路限制设计规则）：该项设计规则用来设置电路板上不同网络的导电图件之间是否允许短路。【Width Constraint】（布线宽度设计规则）：该项设计规则用来设置电路板上不同网络布线的宽度，利用
20、该项设计规则可以根据元器件之间的电气要求采用不同宽度的导线进行连接。【Polygon Connect Style】（多边形填充的连接方式设计规则）：该布线规则适用于设置多边形填充与相同网络的焊盘、过孔和导线等图件的连接方式。图5-116【布线设计规则】对话框下面将对上述几项常用的布线设计规则作较为详细的介绍。（1）设置安全间距限制设计规则。安全间距限制设计规则属于电气规则的范畴。执行菜单命令【Design】|【Rules】，然后再单击【Routing】（布线）选项卡，打开电路板布线设计规则对话框。单击【Clearance Constraint】选项，在列表框中显示安全间距限制设计规则。在需要编
21、辑的设计规则上双击鼠标左键，打开【Clearance Rule】（安全间距限制设计规则）对话框，如图5-117所示。图5-117【安全间距限制设计规则】对话框（2）设置短路限制设计规则。短路限制设计规则属于电气规则的范畴，一般情况下，电路板上不允许不同的网络短路连接。在【布线设计规则设置】对话框中单击 选项卡，打开【其他设计规则设置】对话框，如图5-118所示。单击【Short-Circuit Constraint】选项，打开【短路限制设计规则】对话框，单击系统默认的【ShortCircuit】短路限制设计规则，然后再单击 按钮，即可打开【Short-Circuit Rule】（短路限制设计规
22、则）对话框，如图5-119所示。通常情况下，电路板上不同网络的图件是不允许短路的。取消【Rule Attributes】（设计规则属性）选项区域中【Allow Short Circuit】（允许短路）复选框的选中状态，即可将该项设计规则设置成不允许短路的状态。图5-118【其他设计规则设置】对话框图5-119【短路限制设计规则】对话框（3）设置布线宽度限制设计规则。在电路板设计规则对话框中单击【Routing】选项卡，然后再单击【Width Constraint】选项，打开【布线宽度设计规则】主对话框，如图5-120所示。图5-120【布线宽度设计规则】主对话框 选中布线宽度设计规则中的某项设
23、计规则，然后单击 按钮，即可打开【Max-Min Width Rule】（布线宽度限制设计规则）对话框，在该对话框中可以设置布线的宽度，如图5-121所示。图5-121【布线宽度限制设计规则】对话框图5-122 设置好的多项布线宽度限制设计规则 设置完布线宽度设计规则后，单击 按钮即可回到【布线宽度设计规则】对话框，继续其他设计规则的设置。单击 按钮可添加新的布线宽度设计规则，然后重复步骤2的操作即可完成多项布线宽度设计规则的设置。本例中设置好的布线宽度设计规则如图5-122所示。当所有的布线宽度限制设计规则设置完后，单击 按钮即可完成本次布线宽度限制规则的设置。2 2 2 2 2 2预布线预
24、布线预布线 对重要的网络进行预布线。锁定预布线。（1）对电路板上的所有网络进行分析，找出需要预布线的网络。本例中可以对电源网络“VCC”进行预布线。（2）对电源网络进行预布线，结果如图5-123所示。（3）锁定预布线。在任意一段导线上双击鼠标左键进入【导线属性】对话框，如图5-124所示。图5-123 预布线的结果 图5-124 编辑【导线属性】对话框（4）单击 按钮，打开【全局编辑】对话框，对导线全局编辑的属性进行配置，以锁定所有预布的导线。全局编辑属性的配置结果如图5-125所示。（5）单击 按钮，将所有的预布线锁定。图5-125 全局编辑属性设置3 3 3 3 3 3自动布线自动布线自动
25、布线下面采用全局布线命令对电路板上剩下的网络进行布线。（1）执行菜单命令【Auto Route】|【All】，打开【自动布线器参数设置】对话框，确认所选的布线策略是否正确。（2）单击 按钮进入自动布线状态，全局自动布线完成后的结果如图5-126所示。图5-126 全局自动布线后的结果4 4 4 4 4 4手工调整手工调整手工调整 自动布线结束后，系统将会提供【Design Explorer Information】（自动布线的状态信息），如图5-127所示。由系统提供的信息可知，电路板上仍然有网络未连接，需要进行调整。另外，绕远和拐角太多的导线以及电路板的边界和安装孔等也都需要调整。手工调整的
26、结果如图5-128所示。图5-127 自动布线的状态信息 图5-128 手工调整的结果5.3.8 5.3.8 5.3.8 5.3.8 5.3.8 5.3.8 设计规则检验设计规则检验设计规则检验 【Clearance Constraints】（安全间距限制）：该项为导电图件之间的安全间距限制检验项。【Max/Min Width Constraints】（布线宽度限制）：该项为导线的布线宽度限制检验项。【Short Circuit Constraints】（短路设计规则限制）：该项为电路板布线是否符合短路设计规则限制的检验项。【Un-Routed Net Constraints】（未布线网络）：
27、该项将对没有布线的网络进行检验。（1）执行菜单命令【Tools】|【Design Rule Check】，打开【Design Rule Check】（设计规则检验）对话框，如图5-129所示。（2）单击 选项卡进入报表（Report）输出设计检验模式，设置设计校验项目。（3）设置好设计校验项目后，单击对话框左下角的 按钮，即可运行设计规则校验。图5-129【设计规则检验】对话框5.4 5.4 5.4 5.4 5.4 5.4 驱动驱动驱动电路及外接的电路及外接的电路及外接的IGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBT电路的双面板的电路的双面板的电路的双面板的手工设计手工设计手工设计双面板手工
28、设计的操作步骤（1）进行电路板的前期准备工作，包括电路原理图设计、规划电路板、载入元器件封装和网络表以及PCB设计工作参数的设置等。（2）设置元器件布局和电路板布线设计规则。（3）对电路板上元器件之间的电气连接进行分析，找出核心元器件以及需要高压隔离的元器件。图5-130 修改后的电路原理图设计（4）将修改后的电路原理图载入到PCB编辑器中，结果如图5-131所示。图5-131 修改电路原理图设计后载入的元器件封装和网络表（5）采用全局编辑功能隐藏元器件的参数。在任何一个元器件的参数上双击鼠标左键进入【元器件参数编辑】对话框，对其全局编辑的属性进行配置，结果如图5-132所示。图5-132 隐
29、藏元器件参数的全局编辑属性配置（6）接下来就可以对元器件进行一边布局一边布线了。从电路板的一角开始布线。按照信号的流向对其他元器件进行布局。放置该部分驱动电路的输出接插件CN2，然后进行布线。调整电路板的右边界。重复步骤步骤设计另一半桥臂驱动电路，最后的结果如图5-138所示。调整电路板的上边界，结果如图5-139所示。（7）电路板地线覆铜。图5-133 开始电路板的布线 图5-134 部分元器件布局和布线后的结果图5-138 设计好的全桥驱动电路 图5-139 调整好边界后的电路板 设置多边形填充的连接方式。用鼠标左键双击【Polygon Connect Style】，即可打开【Polygo
30、n Connect Style】（多边形填充与网络连接方式）对话框，如图5-141所示。辐射连接包括如图5-142所示的几种方式。设置多边形填充与导线、焊盘和过孔的安全间距（Clearance Constraint），如果电路板允许，建议采用大于0.5mm的安全间距。单击放置工具栏中的 按钮，打开【Polygon Plane】（多边形填充选项）对话框，如图5-143所示。图5-140【多边形填充连接方式设计规则】对话框图5-141【多边形填充与网络连接方式】对话框 图5-142 辐射连接的几种方式 图5-143【多边形填充】对话框 图5-144 设置相应选项 设置好多边形填充属性后，单击 按钮
31、，此时鼠标指针变成十字光标，然后根据绘制导线的方法，在需要放置覆铜的区域绘制一个封闭的多边形，然后单击鼠标右键即可。对“GND1”覆铜后的结果如图5-145所示。图5-145 对“GND1”覆铜后的电路 重复步骤、步骤，对“GND2”进行覆铜，最后的结果如图5-146所示。图5-146 覆铜的最后结果（8）DRC设计校验。（9）查看3D效果图，如图5-147所示。图5-147 查看3D效果图5.5 5.5 5.5 知识知识知识拓展拓展拓展图5-148【特殊粘贴功能设置】对话框图5-151【阵列粘贴设置】对话框5.5.2 5.5.2 5.5.2 建立项目元器件封装库建立项目元器件封装库建立项目元
32、器件封装库5.5.3 PCB5.5.3 PCB5.5.3 PCB文件的导出文件的导出文件的导出5.6 5.6 5.6 动手动手动手练习练习练习图5-159 高频引弧电路原理图图5-160 高频引弧电路的单面板 5.6.2 5.6.2 5.6.2 单片机最小系统的双面单片机最小系统的双面单片机最小系统的双面印制电路板印制电路板印制电路板图5-162 单片机最小系统的电路原理图图5-163 单片机最小系统的双面板图5-164 单片机最小系统的双面板设计的主要操作步骤5.6.3 5.6.3 5.6.3 数模混合电路的电路板数模混合电路的电路板数模混合电路的电路板图5-165 数模混合电路原理图图5-166 数模混合电路的双面板图5-167 数模混合电路的双面板的主要操作步骤图5-167 数模混合电路的双面板的主要操作步骤（续）图5-167 数模混合电路的双面板的主要操作步骤（续）5.7 5.7 5.7 小结小结小结
