Protel 99 SE是Altium公司為代表性和普遍性的一款功能強(qiáng)大、深受電路設(shè)計(jì)者歡迎使用的EDA設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。它是將電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB板圖設(shè)計(jì)、電路仿真和PLD設(shè)計(jì)等多個(gè)實(shí)用工具軟件組合后構(gòu)成的EDA工作平臺(tái)，為用戶提供全線的設(shè)計(jì)解決方案。從初的項(xiàng)目模塊規(guī)劃到終形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)都可以按照設(shè)計(jì)者自己的設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)。
雖然Protel 99SE軟件擁有如此強(qiáng)大的功能。但是光靠一個(gè)功能強(qiáng)大的軟件是不可能設(shè)計(jì)出一塊性能優(yōu)良、布局合理的PCB板圖的，在整個(gè)PCB板圖的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要還需要依靠設(shè)計(jì)者多年設(shè)計(jì)板圖的經(jīng)驗(yàn)和一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)技巧。本文正是基于Protel 99 SE軟件這個(gè)平臺(tái)，根據(jù)一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)規(guī)范和本人多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)闡述一下PCB板圖在設(shè)計(jì)過(guò)程中所必須依據(jù)一些設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)技巧，以便初學(xué)者能更快、更好的設(shè)計(jì)出理想的PCB板圖，提高整個(gè)電路的性能。
根據(jù)PCB板圖的設(shè)計(jì)流程，本文主要從設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備、PCB板圖布局、布線和設(shè)計(jì)評(píng)審四個(gè)方面將進(jìn)行一一闡述。
1 設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備
在PCB板圖設(shè)計(jì)之前，硬件項(xiàng)目人員必須準(zhǔn)備好以下的材料： (1)要準(zhǔn)備需要的元件庫(kù)。 “工欲善其事，必先利其器”，要做出一塊好的板子，除了要設(shè)計(jì)好原理圖之外，還要畫得好。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)之前，首先要準(zhǔn)備好原理圖SCH的元件庫(kù)和PCB的元件庫(kù)。元件庫(kù)可以用Protel自帶的庫(kù)，但一般情況下很難找到合適的，好是自己根據(jù)所選器件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸資料自己做元件庫(kù)。原則上先做PCB的元件庫(kù)，再做SCH的元件庫(kù)。PCB的元件庫(kù)要求較高，它直接影響板子的安裝。SCH的元件庫(kù)要求相對(duì)比較松，只要注意定義好管腳屬性和與PCB元件的對(duì)應(yīng)關(guān)系就行; (2)根據(jù)準(zhǔn)備好原理圖SCH的元件庫(kù)，完成原理圖的設(shè)計(jì)，明確電路的基本原理和各部分的布線要求，然后要經(jīng)過(guò)相關(guān)人員的技術(shù)評(píng)審，以確保整個(gè)原理圖方案的正確合理性和可行性; (3)PCB結(jié)構(gòu)圖，應(yīng)表明外形尺寸、安裝孔大小及定位尺寸、接插件定位尺寸、禁止布線區(qū)域等相關(guān)機(jī)械尺寸。
2 PCB板圖布局
在整個(gè)PCB板圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，元件布局是極其重要的，元件布局的好壞從根本上就決定了該P(yáng)CB板圖的設(shè)計(jì)水平、性能參數(shù)和下一步布線的難易程度，在布局之前首先要確定PCB電路板的坐標(biāo)原點(diǎn)位置，一般以單板左邊和下邊的延長(zhǎng)線交匯點(diǎn)或單板左下角的一個(gè)焊盤為坐標(biāo)原點(diǎn)。根據(jù)多年設(shè)計(jì)板圖的經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)范可知，布局操作的基本原則如下：
(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)圖設(shè)置板框的尺寸，按結(jié)構(gòu)要素布置安裝孔、接插件等需要定位的器件，并給予這些器件鎖定狀態(tài)，然后按工藝設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行尺寸標(biāo)注，并根據(jù)布局區(qū)域和元件的特殊要求設(shè)置禁止布線區(qū)。
(2)按照“先大后小，先難后易”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件等應(yīng)優(yōu)先布局。布局中應(yīng)參考原理圖的設(shè)計(jì)原理，根據(jù)信號(hào)的流向等規(guī)律安排主要元器件;
(3)按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化布局，相同結(jié)構(gòu)的電路部分要盡可能采用“對(duì)稱式”標(biāo)準(zhǔn)布局;
(4)元件布局時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮使用同一種電源的器件盡量放在一起，以便于將來(lái)的電源分割。完成同一功能的電路，應(yīng)盡量靠近放置，并調(diào)整各元器件以保證連線為簡(jiǎn)潔。同時(shí)，調(diào)整各功能塊間的相對(duì)位置使功能塊間的連線簡(jiǎn)短;
(5)對(duì)于質(zhì)量大的元器件應(yīng)考慮安裝位置和安裝強(qiáng)度，除溫度檢測(cè)元件以外的溫度敏感元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件放置，必要時(shí)還應(yīng)考慮熱對(duì)流措施。高電壓、大電流信號(hào)與小電流、低電壓的弱信號(hào)要分開(kāi)，模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)要分開(kāi)，高頻信號(hào)與低頻信號(hào)要分開(kāi)，高頻元器件的間隔要充分;
(6)同類型插裝元器件在X或Y方向上應(yīng)朝一個(gè)方向放置，同一種類型的有極性分立元件也要力爭(zhēng)在X或Y方向上保持一致，便于生產(chǎn)和檢驗(yàn);
(7)每個(gè)集成電路IC好加一個(gè)去耦電容，IC去耦電容的布局要盡量靠近IC的電源管腳，并使之與電源和地形成的回路短;
(8)布局完成后應(yīng)檢查器件封裝的正確性，并且確認(rèn)單板、背板和接插件的信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后方可開(kāi)始布線。
3 布線
一個(gè)好的布局是重要的，但是一個(gè)好的布局只是為PCB板圖的設(shè)計(jì)打下了一個(gè)好的基礎(chǔ)，布線是整個(gè)PCB設(shè)計(jì)中重要的工序。這將直接影響著PCB板的性能好壞。在PCB的設(shè)計(jì)過(guò)程中，布線一般有這么三種境界的劃分：首先是布通，這時(shí)PCB設(shè)計(jì)時(shí)的基本的要求。如果線路都沒(méi)布通，搞得到處是飛線，那將是一塊不合格的板子，可以說(shuō)還沒(méi)入門。其次是電器性能的滿足。這是衡量一塊印刷電路板是否合格的標(biāo)準(zhǔn)。這是在布通之后，認(rèn)真調(diào)整布線，使其能達(dá)到佳的電器性能。接著是美觀。假如你的布線布通了，也沒(méi)有什么影響電器性能的地方，但是一眼看過(guò)去雜亂無(wú)章的，加上五彩繽紛、花花綠綠的，那就算你的電器性能怎么好，在別人眼里還是垃圾一塊。這樣給測(cè)試和維修帶來(lái)極大的不便。布線要整齊劃一，不能縱橫交錯(cuò)毫無(wú)章法。這些都要在保證電器性能和滿足其他個(gè)別要求的情況下實(shí)現(xiàn)，否則就是舍本逐末了。布線時(shí)主要按以下原則進(jìn)行：
(1)一般情況下，首先應(yīng)對(duì)電源線和地線進(jìn)行布線，以保證電路板的電氣性能。在條件允許的范圍內(nèi)，盡量加寬電源、地線寬度，好是地線比電源線寬。還有就是遵守“20H規(guī)則”，由于電源層和地層的電場(chǎng)是變化的，在板的邊緣會(huì)向外輻射電磁干擾，稱為邊緣效益。這樣我們通過(guò)將電源層內(nèi)縮，使得電場(chǎng)只在接地層的范圍內(nèi)傳導(dǎo)，以一個(gè)H(電源和地之間的介質(zhì)厚度)為單位，若內(nèi)縮20H則可以把70%的電場(chǎng)限制在接地層邊沿內(nèi)。
(2) PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)避免產(chǎn)生銳角和直角，盡可能采用45°的折線布線，不可使用90°折線，以減小高頻信號(hào)的輻射，要求高的線還要用雙弧線。
(3)器件去耦規(guī)則：在PCB板上增加必要的去耦電容，濾波電源上的干擾信號(hào)，使電源穩(wěn)定。在多層板中，對(duì)去耦電容的位置一般要求不太高。但對(duì)雙層板，去耦電容的布局及電源布線方式等直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般應(yīng)該使電流先經(jīng)過(guò)濾波電容再供器件使用，同時(shí)還要充分考慮到期間產(chǎn)生的電源噪聲對(duì)下游的器件的影響，一般來(lái)誰(shuí)，采用總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電源模式;
(4)為防止不同工作頻率的模塊之間的互相干擾，一般盡量縮短高頻部分的布線長(zhǎng)度，同時(shí)對(duì)模擬與數(shù)字電路應(yīng)分別布置在PCB板的兩面，分別使用不同的層布線，中間用地層隔離的方式。
(5)振蕩器外殼接地，時(shí)鐘線要盡量短，且不能引得到處都是。時(shí)鐘振蕩電路下面、特殊高速邏輯電路部分要加大地的面積，而不應(yīng)該走其它信號(hào)線，以使周圍電場(chǎng)趨近于零;
(6)預(yù)先對(duì)要求比較嚴(yán)格的線(如高頻線)進(jìn)行布線，輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時(shí)應(yīng)加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，以避免平行走線容易產(chǎn)生寄生耦合和層間的竄擾。
(7)設(shè)計(jì)布線時(shí)應(yīng)讓布線長(zhǎng)度盡量短，以減少由于走線過(guò)長(zhǎng)帶來(lái)的干擾為問(wèn)題，特別是一些重要信號(hào)線，如時(shí)鐘線，務(wù)必將其振蕩器放在離器件很近的地方。一般不要出現(xiàn)一端浮空的布線，以避免出現(xiàn)“天線效應(yīng)”，減少不必要的干擾輻射和接受，否則帶來(lái)不可預(yù)知的結(jié)果;
(8)任何信號(hào)線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應(yīng)盡量小，這樣對(duì)外的輻射越少，接收外界的干擾也越小。信號(hào)線的過(guò)孔要盡量少，關(guān)鍵的線盡量短而粗，并在兩邊加上保護(hù)地來(lái)盡量減小信號(hào)的回路面積。
后要進(jìn)行布線優(yōu)化和絲印，俗話說(shuō)“沒(méi)有好的，只有更好的”，不管你怎么挖空心思的去設(shè)計(jì)，等你畫完之后，再去看一看，還是會(huì)覺(jué)得很多地方可以修改的。一般設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)是：優(yōu)化布線的時(shí)間是初次布線的時(shí)間的兩倍。感覺(jué)沒(méi)什么地方需要修改之后，就可以鋪銅了(Pla-ce->polygon Plane)。鋪銅一般鋪地線(注意模擬地和數(shù)字地的分離)，多層板時(shí)還可能需要鋪電源。對(duì)于絲印，要注意不能被器件擋住或被過(guò)孔和焊盤去掉。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)正視元件面，底層的字應(yīng)做鏡像處理，以免混淆層面。
4 設(shè)計(jì)評(píng)審
PCB板圖設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)相應(yīng)的質(zhì)量評(píng)審要求，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)審。評(píng)審的內(nèi)容大體分為下面幾個(gè)方面：
(1)檢查定位孔、定位件等機(jī)械尺寸是否與結(jié)構(gòu)圖一致。(2)檢查高頻、高速、時(shí)鐘等易受干擾的信號(hào)線，是否回路面積小、是否遠(yuǎn)離干擾源，是否有多余的過(guò)孔和繞線、是否跨地層分割區(qū)。(3)檢查晶體、變壓器、光耦、電源模塊下面是否有信號(hào)線穿過(guò)，應(yīng)盡量避免在其下面穿線，特別是晶體下面應(yīng)盡量鋪設(shè)接地的銅皮。 (4)檢查器件的序號(hào)是否有序排列，絲印標(biāo)示等是否覆蓋焊盤、過(guò)孔等。(5)檢查布線完成情況是否百分之百，是否有線頭，是否有孤立的銅皮。