PowerPCB在印制電路板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)

PowerPCB在印制電路板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)

作者 :中國(guó)船舶工業(yè)總公司第七0七研究所 谷健
???????? 印制電路板（PCB）是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件。它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來(lái)越高。PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)抗干擾能力影響很大。實(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細(xì)平行線靠得很近，則會(huì)形成信號(hào)波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計(jì)印制電路板的時(shí)候，應(yīng)注意采用正確的方法，遵守PCB設(shè)計(jì)的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。
??? 一、 PCB設(shè)計(jì)的一般原則
??? 要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布局及導(dǎo)線的布設(shè)是很重要的。為了設(shè)計(jì)質(zhì)量好、造價(jià)低的PCB，應(yīng)遵循以下的一般性原則：
??? 1.布局
??? 首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。
??? 在確定特殊元件的位置時(shí)要遵守以下原則：
??? （1）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。
??? （2）某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。
??? （3）重量超過(guò)15g的元器件，應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問(wèn)題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。
??? （4）對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印制板上方便調(diào)節(jié)的地方；若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。
??? （5）應(yīng)留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。

??? 根據(jù)電路的功能單元。對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：
??? （1）按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。
??? （2）以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上。盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。
??? （3）在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。
??? （4）位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形。長(zhǎng)寬雙為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200×150mm時(shí)，應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。

??? 2.布線
??? 布線的原則如下：
??? （1）輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發(fā)生反饋藕合。
??? （2）印制板導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和流過(guò)它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為0.5mm、寬度為1～15mm時(shí)，通過(guò)2A的電流，溫度不會(huì)高于3℃。因此，導(dǎo)線寬度為1.5mm可滿足要求。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.02～0.3mm導(dǎo)線寬度。當(dāng)然，只要允許，還是盡可能用寬線，尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小于5～8mil。
??? （3）印制導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時(shí)，最好用柵格狀。這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。
??? 3.焊盤
焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于（d+1.2）mm，其中d為引線孔徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路，焊盤最小直徑可取(d+1.0)mm。

??? 二、 PCB及電路抗干擾措施
??? 印制電路板的抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)常用措施做一些說(shuō)明。
??? 1.電源線設(shè)計(jì)
??? 根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。
??? 2.地線設(shè)計(jì)
??? 在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用，可解決大部分干擾問(wèn)題。電子產(chǎn)品中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地（屏蔽地）、數(shù)字地（邏輯地）和模擬地等。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
??? （1）正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地
??? 在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地的方式。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1～10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。
??? （2）數(shù)字地與模擬地分開(kāi)。
??? 電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。要盡量加大線性電路的接地面積。
??? （3）接地線應(yīng)盡量加粗。
??? 若接地線用很細(xì)的線條，則接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子產(chǎn)品的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能降低。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3mm。
??? （4）接地線構(gòu)成閉環(huán)路。
??? 設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉路可以明顯地提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線粗細(xì)的限制，會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪能力下降，若將接地線構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。
??? 3.退藕電容配置
??? PCB設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一是在印制板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐伺弘娙?。退藕電容的一般配置原則是：
??? （1）電源輸入端跨接10～100uf的電解電容器。如有可能，接100uF以上的更好。
??? （2）原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4～8個(gè)芯片布置一個(gè)1～10pF的鉭電容。
??? （3）對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入退藕電容。
??? （4）電容引線不能太長(zhǎng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線。
??? 此外，還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：
??? （1）在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí)，操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來(lái)吸收放電電流。一般R取1～2K，C取2.2～47uF。
??? （2）CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應(yīng)，因此在使用時(shí)對(duì)不用端要接地或接正電源。

??? 三、 PowerPCB簡(jiǎn)介
??? PowerPCB是美國(guó)Innoveda公司軟件產(chǎn)品。
??? PowerPCB能夠使用戶完成高質(zhì)量的設(shè)計(jì)，生動(dòng)地體現(xiàn)了電子設(shè)計(jì)工業(yè)界各方面的內(nèi)容。其約束驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法可以減少產(chǎn)品完成時(shí)間。你可以對(duì)每一個(gè)信號(hào)定義安全間距、布線規(guī)則以及高速電路的設(shè)計(jì)規(guī)則，并將這些規(guī)劃層次化的應(yīng)用到板上、每一層上、每一類網(wǎng)絡(luò)上、每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上、每一組網(wǎng)絡(luò)上、每一個(gè)管腳對(duì)上，以確保布局布線設(shè)計(jì)的正確性。它包括了豐富多樣的功能，包括簇布局工具、動(dòng)態(tài)布線編輯、動(dòng)態(tài)電性能檢查、自動(dòng)尺寸標(biāo)注和強(qiáng)大的CAM輸出能力。它還有集成第三方軟件工具的能力，如SPECCTRA布線器。
??? 四、 PowerPCB使用技巧
??? PowerPCB目前已在我所推廣使用，它的基本使用技術(shù)已有培訓(xùn)教材進(jìn)行了詳細(xì)的講解，而對(duì)于我所廣大電子應(yīng)用工程師來(lái)說(shuō)，其問(wèn)題在于已經(jīng)熟練掌握了TANGO之類的布線工具之后，如何轉(zhuǎn)到PowerPCB的應(yīng)用上來(lái)。所以，本文就此類應(yīng)用和培訓(xùn)教材上沒(méi)有講到，而我們應(yīng)用較多的一些技術(shù)技巧作了論述。
??? 1.輸入的規(guī)范問(wèn)題
??? 對(duì)于大多數(shù)使用過(guò)TANGO的人來(lái)說(shuō)，剛開(kāi)始使用PowerPCB的時(shí)候，可能會(huì)覺(jué)得PowerPCB的限制太多。因?yàn)镻owerPCB對(duì)原理圖輸入和原理圖到PCB的規(guī)則傳輸上是以保證其正確性為前提的。所以，它的原理圖中沒(méi)有能夠?qū)⒁桓姎膺B線斷開(kāi)的功能，也不能隨意將一根電氣連線在某個(gè)位置停止，它要保證每一根電氣連線都要有起始管腳和終止管腳，或是接在軟件提供的連接器上，以供不同頁(yè)面間的信息傳輸。這是它防止錯(cuò)誤發(fā)生的一種手段，其實(shí)，也是我們應(yīng)該遵守的一種規(guī)范化的原理圖輸入方式。
??? 在PowerPCB設(shè)計(jì)中，凡是與原理圖網(wǎng)表不一致的改動(dòng)都要到ECO方式下進(jìn)行，但它給用戶提供了OLE鏈接，可以將原理圖中的修改傳到PCB中，也可以將PCB中的修改傳回原理圖。這樣，既防止了由于疏忽引起的錯(cuò)誤，又給真正需要進(jìn)行修改提供了方便。但是，要注意的是，進(jìn)入ECO方式時(shí)要選擇“寫ECO文件”選項(xiàng)，而只有退出ECO方式，才會(huì)進(jìn)行寫ECO文件操作。
??? 2.電源層和地層的選擇
??? PowerPCB中對(duì)電源層和地層的設(shè)置有兩種選擇，CAM Plane和Split/Mixed。Split/Mixed主要用于多個(gè)電源或地共用一個(gè)層的情況，但只有一個(gè)電源和地時(shí)也可以用。它的主要優(yōu)點(diǎn)是輸出時(shí)的圖和光繪的一致，便于檢查。而CAM Plane用于單個(gè)的電源或地，這種方式是負(fù)片輸出，要注意輸出時(shí)需加上第25層。第25層包含了地電信息，主要指電層的焊盤要比正常的焊盤大20mil左右的安全距離，保證金屬化過(guò)孔之后，不會(huì)有信號(hào)與地電相連。這就需要每個(gè)焊盤都包含有第25層的信息。而我們自己建庫(kù)時(shí)往往會(huì)忽略這個(gè)問(wèn)題，造成使用Split/Mixed選項(xiàng)。
??? 3.推擠還是不推擠
??? PowerPCB提供了一個(gè)很好用的功能就是自動(dòng)推擠。當(dāng)我們手動(dòng)布線時(shí)，印制板在我們的完全控制之下，打開(kāi)自動(dòng)推擠的功能，會(huì)感到非常的方便。但是如果在你完成了預(yù)布線之后，要自動(dòng)布線時(shí)，最好將預(yù)布好的線固定住，否則自動(dòng)布線時(shí)，軟件會(huì)認(rèn)為此線段可移動(dòng)，而將你的工作完全推翻，造成不必要的損失。
??? 4.定位孔的添加
??? 我們的印制板往往需要加一些安裝定位孔，但是對(duì)于PowerPCB來(lái)說(shuō)，這就屬于與原理圖不一樣的器件擺放，需要在ECO方式下進(jìn)行。但如果在最后的檢查中，軟件因此而給出我們?cè)S多的錯(cuò)誤，就不大方便了。這種情況可以將定位孔器件設(shè)為非ECO注冊(cè)的即可。
??? 在編輯器件窗口下，選中“編輯電氣特性”按鈕，在該窗口中，選中“普通”項(xiàng)，不選中“ECO注冊(cè)”項(xiàng)。這樣在檢查時(shí)，PowerPCB不會(huì)認(rèn)為這個(gè)器件是需要與網(wǎng)表比較的，不會(huì)出現(xiàn)不該有的錯(cuò)誤。
??? 5.添加新的電源封裝
??? 由于我們的國(guó)際與美國(guó)軟件公司的標(biāo)準(zhǔn)不太一致，所以我們盡量配備了國(guó)際庫(kù)供大家使用。但是電源和地的新符號(hào)，必須在軟件自帶的庫(kù)中添加，否則它不會(huì)認(rèn)為你建的符號(hào)是電源。
??? 所以當(dāng)我們要建一個(gè)符合國(guó)標(biāo)的電源符號(hào)時(shí)，需要先打開(kāi)現(xiàn)有的電源符號(hào)組，選擇“編輯電氣連接”按鈕，點(diǎn)按“添加”按鈕，輸入你新建的符號(hào)的名字等信息。然后，再選中“編輯門封裝”按鈕，選中你剛剛建立的符號(hào)名，繪制出你需要的形狀，退出繪圖狀態(tài)，保存。這個(gè)新的符號(hào)就可以在原理圖中調(diào)出了。
??? 6.空腳的設(shè)置
??? 我們用的器件中，有的管腳本身就是空腳，標(biāo)志為NC。當(dāng)我們建庫(kù)的時(shí)候，就要注意，否則標(biāo)志為NC的管腳會(huì)連在一起。這是由于你在建庫(kù)時(shí)將NC管腳建在了“SINGAL_PINS”中，而PowerPCB認(rèn)為“SINGAL_PINS”中的管腳是隱含的缺省管腳，是有用的管腳，如VCC和GND。所以，如果的NC管腳，必須將它們從“SINGAL_PINS”中刪除掉，或者說(shuō)，你根本無(wú)需理睬它，不用作任何特殊的定義。
??? 7.三極管的管腳對(duì)照
??? 三極管的封裝變化很多，當(dāng)自己建三極管的庫(kù)時(shí)，我們往往會(huì)發(fā)現(xiàn)原理圖的網(wǎng)表傳到PCB中后，與自己希望的連接不一致。這個(gè)問(wèn)題主要還是出在建庫(kù)上。
??? 由于三極管的管腳往往用E，B，C來(lái)標(biāo)志，所以在創(chuàng)建自己的三極管庫(kù)時(shí)，要在“編輯電氣連接”窗口中選中“包括文字?jǐn)?shù)字管腳”復(fù)選框，這時(shí)，“文字?jǐn)?shù)字管腳”標(biāo)簽被點(diǎn)亮，進(jìn)入該標(biāo)簽，將三極管的相應(yīng)管腳改為字母。這樣，與PCB封裝對(duì)應(yīng)連線時(shí)會(huì)感到比較便于識(shí)別。
??? 8.表面貼器件的預(yù)處理
??? 現(xiàn)在，由于小型化的需求，表面貼器件得到越來(lái)越多的應(yīng)用。在布圖過(guò)程中，表面貼器件的處理很重要，尤其是在布多層板的時(shí)候。因?yàn)椋砻尜N器件只在一層上有電氣連接，不象雙列直插器件在板子上的放置是通孔，所以，當(dāng)別的層需要與表面器件相連時(shí)就要從表面貼器件的管腳上拉出一條短線，打孔，再與其它器件連接，這就是所謂的扇入（FAN-IN），扇出（FAN-OUT）操作。
??? 如果需要的話，我們應(yīng)該首先對(duì)表面貼器件進(jìn)行扇入，扇出操作，然后再進(jìn)行布線，這是因?yàn)槿绻覀冎皇窃谧詣?dòng)布線的設(shè)置文件中選擇了要作扇入，扇出操作，軟件會(huì)在布線的過(guò)程中進(jìn)行這項(xiàng)操作，這時(shí)，拉出的線就會(huì)曲曲折折，而且比較長(zhǎng)。所以，我們可以在布局完成后，先進(jìn)入自動(dòng)布線器，在設(shè)置文件中只選擇扇入，扇出操作，不選擇其它布線選項(xiàng)，這樣從表面貼器件拉出來(lái)的線比較短，也比較整齊。
??? 9.將板圖加入AUTOCAD
??? 有時(shí)我們需要將印制板圖加入到結(jié)構(gòu)圖中，這時(shí)可以通過(guò)轉(zhuǎn)換工具將PCB文件轉(zhuǎn)換成AUTOCAD能夠識(shí)別的格式。在PCB繪圖框中，選中“文件”菜單中的“輸出”菜單項(xiàng)，在彈出的文件輸出窗口中將保存類型設(shè)為DXF文件，再保存。你就可以AUTOCAD中打開(kāi)個(gè)這圖了。
??? 當(dāng)然，PADS中有自動(dòng)標(biāo)注功能，可以對(duì)畫好的印制板進(jìn)行尺寸標(biāo)注，自動(dòng)顯示出板框或定位孔的位置。要注意的是，標(biāo)注結(jié)果在Drill-Drawing層要想在其它的輸出圖上加上標(biāo)注，需要在輸出時(shí)，特別加上這一層才行。
??? 10. PowerPCB與ViewDraw的接口
??? 用ViewDraw的原理圖，可以產(chǎn)生PowerPCB的表，而PowerPCB讀入網(wǎng)表后，一樣可以進(jìn)行自動(dòng)布線等功能，而且，PowerPCB中有鏈接工具，可以與VIEWDRAW的原理圖動(dòng)態(tài)鏈接、修改，保持電氣連接的一致性。
??? 但是，由于軟件修改升級(jí)的版本的差別，有時(shí)兩個(gè)軟件對(duì)器件名稱的定義不一致，會(huì)造成網(wǎng)表傳輸錯(cuò)誤。要避免這種錯(cuò)誤的發(fā)生，最好專門建一個(gè)存放ViewDraw與PowerPCB對(duì)應(yīng)器件的庫(kù)，當(dāng)然這只是針對(duì)于一部分不匹配的器件來(lái)說(shuō)的。可以用PowerPCB中的拷貝功能，很方便地將已存在的PowerPCB中的其它庫(kù)里的元件封裝拷貝到這個(gè)庫(kù)中，存成與VIEWDRAW中相對(duì)應(yīng)的名字。
??? 11.生成光繪文件
??? 以前，我們做印制板時(shí)都是將印制板圖拷在軟盤上，直接給制版廠。這種做法保密性差，而且很煩瑣，需要給制版廠另寫很詳細(xì)的說(shuō)明文件。現(xiàn)在，我們用PowerPCB直接生產(chǎn)光繪文件給廠家就可以了。從光繪文件的名字上就可以看出這是第幾層的走線，是絲印還是阻焊，十分方便，又安全。
??? 轉(zhuǎn)光繪文件步驟：
??? A．在PowerPCB的CAM輸出窗口的DEVICE SETUP中將APERTURE改為999。
??? B．轉(zhuǎn)走線層時(shí)，將文檔類型選為ROUTING，然后在LAYER中選擇板框和你需要放在這一層上的東西。不注意的是，轉(zhuǎn)走線時(shí)要將LINE,TEXT去掉（除非你要在線路上做銅字）。
??? C．轉(zhuǎn)阻焊時(shí)，將文檔類型選為SOLD_MASK，在頂層阻焊中要將過(guò)孔選中。
??? D．轉(zhuǎn)絲印時(shí)，將文檔類型選為SILK SCREEN，其余參照步驟B和C。
??? E．轉(zhuǎn)鉆孔數(shù)據(jù)時(shí)，將文檔類型選為NC DRILL，直接轉(zhuǎn)換。
??? 注意，轉(zhuǎn)光繪文件時(shí)要先預(yù)覽一下，預(yù)覽中的圖形就是你要的光繪輸出的圖形，所以要看仔細(xì)，以防出錯(cuò)。
??? 有了對(duì)印制板設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，如PowerPCB的強(qiáng)大功能，畫復(fù)雜印制板已不是令人煩心的事情了。值得高興的是，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了將TANGO的PCB轉(zhuǎn)換成PowerPCB的工具，熟悉TANGO的廣大科技人員可以更加方便的加入到PowerPCB繪圖的行列中來(lái)，更加方便快捷地繪制出滿意的印制板