第9章PCB设计基础

第9章PCB设计基础本章将介绍PCB的结构、与PCB设计相关的知识、PCB设计的原则、PCB编辑器的启动方法及界面。第9章PCB设计基础9.1PCB的基本常识9.2PCB设计的基本原则9.3PCB编辑器的启动PCB(PrintedCircuitBoard):在绝缘材料上,按预定设计印制元器件图形,并提供元器件间电气连接的导电图形,称为印制电路,其板材称为PCB,即印制电路板.PCB在各种电子设备中主要有如下功能:提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑；实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘，提供所要求的电气特性为自动锡焊提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。9.1PCB的基本常识9.1.1印制电路板的结构(printedcircuitboard)可以分为：单面板（SignalLayerPCB）双面板（DoubleLayerPCB）和多层板（MultiLayerPCB）单面板：电路板一面敷铜，另一面没有敷铜，敷铜的一面用来布线及焊接，另一面放置元件。单面板成本低，但只适用于比较简单的电路设计。双面板：电路板的两面都敷铜，所以两面都可以布线和放置元件，顶面和底面之间的电气连接是靠过孔实现的。由于两面都可以布线，所以双面板适合设计比较复杂的电路，应用也最为广泛。多层板：不但可以在电路板的顶层和底层布线，还可以在顶层和底层之间设置多个可以布线的中间工作层面。用多层板可以设计更加复杂的电路。9.1.2PCB元件封装元件封装:指实际的电子元器件焊接到电路板所指示的轮廓和焊点的位置,它是使元件引脚和印制电路板上的焊盘一致的保证.它只是一个空间的概念,不同的元件有相同的封装，同一个元件也可以有不同的封装。在取用焊接元件时，不仅要知道元件的名称，还要知道元件的封装。原理图元件与PCB元件9.1.2PCB元件封装1．元件封装的分类（1）针脚式元件封装所谓针脚式元件，就是元件的引脚是一根导线，安装元件时该导线必须通过焊盘穿过电路板焊接固定。所以在电路板上，该元件的引脚要有焊盘，焊盘必须钻一个能够穿过引脚的孔（从顶层钻通到底层），下图所示为针脚式元件的封装图，其中的焊盘属性中的Layer板层属性必须设为MultiLayer。（2）表贴式（SMT）封装表面贴装式元件是直接把元件贴在电路板表面上。它是靠粘贴固定的，所以焊盘就不需要钻孔了，因此成本较低。表面贴装式元件各引脚间的间距很小，所以元件体积也较小。由于安装时不存在元件引脚穿过钻孔的问题，所以它特别适合于用机器进行大批量、全自动地进行机械化的生产加工。下图为表面贴装式元件的封装图，其中焊盘的Layer属性必须设置为单一板层，如TopLayer（顶层）或BottomLayer（底层）。封装图结构不管是针脚式元件还是表面贴装式元件，其结构如下图所示，可以分为元件图、焊盘、元件属性3个部分，说明如下：9.1.2PCB元件封装2．元件封装的名称元件封装的名称原则为：元件类型+焊盘距离（焊盘数）+元件外形尺寸9.1.3常用元件的封装1．电容类封装有极性电容类（RB5-10.5～RB7.6-15）非极性电容类（RAD-0.1～RAD-0.4）9.1.3常用元件的封装2．电阻类封装电阻类（AXIAL-0.3～AXIAL-1.0）9.1.3常用元件的封装3．晶体管类封装晶体三极管（BCY-W3）9.1.3常用元件的封装4．二极管类封装二极管类（DIODE-0.5～DIODE-0.7）9.1.3常用元件的封装5．集成电路封装集成电路DIP-xxx封装、SIL-xxx封装9.1.3常用元件的封装6．电位器封装可变电阻类（VR1～VR5）9.1.4PCB的其他术语1．铜膜导线与飞线铜膜导线是敷铜板经过加工后在PCB上的铜膜走线，又简称为导线，用于连接各个焊点飞线只是形式上表示出网络之间的连接，没有实际的电气连接意义9.1.4PCB的其他术语2．焊盘和导孔焊盘是用焊锡连接元件引脚和导线的PCB图件可分为3种：圆形（Round）方形（Rectangle）八角形（Octagonal）9.1.4PCB的其他术语导孔，也称为过孔。是连接不同板层间的导线的PCB图件可分为3种：从顶层到底层的穿透式导孔从顶层通到内层或从内层通到底层的盲导孔和内层间的屏蔽导孔9.1.4PCB的其他术语3．网络、中间层和内层网络和导线是有所不同的，网络上还包含焊点，因此在提到网络时不仅指导线而且还包括和导线连接的焊盘、导孔中间层和内层是两个容易混淆的概念中间层是指用于布线的中间板层，该层中布的是导线内层是指电源层或地线层，该层一般不布线，它是由整片铜膜构成的电源线或地线9.1.4PCB的其他术语4．安全距离为了避免导线、导孔、焊盘之间相互干扰，必须在它们之间留出一定的间隙，即安全距离5．物理边界与电气边界电路板的形状边界称为物理边界，在制板时用机械层来规范用来限定布线和放置元件的范围称为电气边界，它是通过在禁止布线层绘制边界来实现的9.2PCB设计的基本原则9.2.1PCB设计的一般原则首先，要考虑PCB尺寸大小再确定特殊组件的位置最后对电路的全部零件进行布局原则（1）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。（2）以每个功能电路的核心组件为中心，围绕它来进行布局。9.2PCB设计的基本原则（3）在高频信号下工作的电路，要考虑零件之间的分布参数。（4）位于电路板边缘的零件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形,长:宽=3:2或4:3.（5）时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端应尽量相互靠近且远离其他低频器件（6）电流值变化大的电路尽量远离逻辑电路。（7）印制板在机箱中的位置和方向，应保证散热量大的器件处在正上方。9.2PCB设计的基本原则9.2.1PCB设计的一般原则2.特殊组件（1）尽可能缩短高频器件之间的连线，减少它们的电磁噪声。（2）应加大电位差较高的某些器件之间或导线之间的距离，以免意外短路。（3）质量超过15g的器件，应当用支架加以固定，然后焊接。（4）对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调组件的布局应考虑整机的结构要求。（5）应留出印制电路板定位孔及固定支架所占用的位置。9.2PCB设计的基本原则9.2.1PCB设计的一般原则3．布线（1）输入/输出端用的导线应尽量避免相邻平行（2）印制电路板导线间的最小宽度主要是由导线与绝缘基板间的黏附强度和流过它们的电流值决定的。（3）功率线、交流线尽量布置在和信号线不同的板上，否则应和信号线分开走线。9.2PCB设计的基本原则9.2.1PCB设计的一般原则4．焊点焊点中心孔要比器件引线直径稍大一些，焊点太大易形成虚焊5．电源线尽量加粗电源线宽度9.2PCB设计的基本原则9.2.1PCB设计的一般原则6．地线（1）正确选择单点接地与多点接地。（2）将数字电路电源与模拟电路电源分开。（3）尽量加粗接地线。（4）将接地线构成死循环路(闭路)。9.2PCB设计的基本原则9.2.1PCB设计的一般原则7．去耦电容配置(抑制因负载变化而产生的噪声)（1）电源输入端跨接一个10～100μF的电解电容器（2）每个集成芯片的VCC和GND之间跨接一个0.01～0.1μF的陶瓷电容（3）对抗噪声能力弱、关断电流变化大的器件及ROM、RAM，应在VCC和GND间接去耦电容（4）在单片机复位端“RESET”上配以0.01μF的去耦电容。（5）去耦电容的引线不能太长（6）开关、继电器、按钮等产生火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流.9.2PCB设计的基本原则9.2.1PCB设计的一般原则8．电路板的尺寸印制电路板大小要适中，过大时印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；过小，则散热不好，同时易受临近线路干扰。9．热设计从有利于散热的角度出发，印制电路板最好是直立安装，板与板之间的距离一般不应小于2cm，而且组件在印制板上的排列方式应遵循一定的规则9.2PCB设计的基本原则9.2.1PCB设计的一般原则对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其他组件）按纵长方式排列对于采用强制空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其他组件）按横长方式排列9.2.2PCB的抗干扰设计原则1．抑制干扰源尽可能地减小干扰源的du/dt(并联电容),di/dt(串联电感或电阻及增加续流二极管)常用措施如下：（1）继电器线圈增加续流二极管。（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路(RC)。（3）给电机加滤波电路。（4）布线时避免90°折线。（5）晶闸管两端并接RC抑制电路。9.2.2PCB的抗干扰设计原则2．切断干扰传播路径常用措施如下：（1）充分考虑电源对单片机的影响(给电源加滤波电路)。（2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离(加滤波电路)。（3）注意晶振布线。（4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号，尽可能把干扰源与敏感器件远离。9.3PCB编辑器的启动9.3.1利用新电路板生成向导启动PCB编辑器Pickatask栏内选择【PrintedCircuitBoardDesign】命令在设计界面中，单击PCBDocuments栏最下部的【PCBBoardWizard】命令9.3.1利用新电路板生成向导启动PCB编辑器新电路板生成向导9.3.1利用新电路板生成向导启动PCB编辑器度量单位设置•长度单位及换算：PCB编辑器支持英制（mil）和公制（mm）两种长度计量单位。它们的换算关系是：100mils=2.54mm（其中1000mils=1Inches）。•执行菜单命令【View】/【ToggleUnits】就能实现这两种单位之间的相互转换。也可以按快捷键Q进行转换。转换后工作区坐标的单位和其他长度信息的单位都会转换为mm（或mil）。9.3.1利用新电路板生成向导启动PCB编辑器PCB模板的选择9.3.1利用新电路板生成向导启动PCB编辑器PCB模板的选择9.3.1利用新电路板生成向导启动PCB编辑器PCB外形尺寸设定对话框9.3.1利用新电路板生成向导启动PCB编辑器PCB的结构（层数）设置对话框9.3.1利用新电路板生成向导启动PCB编辑器导孔样式设置对话框9.3.1利用新电路板生成向导启动PCB编辑器表贴式元件设置对话框9.3.1利用新电路板生成向导启动PCB编辑器导线和过孔属性设置对话框9.3.1利用新电路板生成向导启动PCB编辑器PCB生成向导设置完成对话框9.3.2其他方法启动PCB编辑器执行【File】/【New】/【PCB】命令，或单击（Files）面板下部的New栏中的选项“PCBFile”，都可以创建PCB文件并启动PCB编辑器。这样创建的PCB文件，其各项参数均采用了系统默认值。习题1．简述元件封装的分类，并回答元件封装的含义。2．简述PCB设计的基本原则。3．创建一个PCB文件并更名为“MyPCB.PcbDoc”。