情境2电子整机的印刷电路板设计

1《电子产品设计与制作实训》课件应用电子教研室2情境2电子整机的印刷电路板设计教学目的与要求1．用Protel绘制电原理图，进行ERC检查；2．要求输入元件封装、建网络表无错误；3．按照设计要求规划电路板；4．印刷电路板的布局设计合理；5．印刷电路板的布线设计符合电气规范；6．印刷电路板的DRC检查；3一、任务描述本任务是在确定了电子整机电路的基础上，绘出电原理图，根据电路确定元器件有关参数和封装，在购买好元器件后，根据元器件实际外形确定或设计封装，设计出可行的印刷电路板。这部分任务主要是培养学生的元器件采购能力和PCB设计能力。本任务对应国家职业技能计算机辅助设计绘图员相关操作能力要求。情境2电子整机的印刷电路板设计41．PCB基础知识简要介绍：PCB的种类；PCB的层；PCB的焊盘和过孔；PCB的印制导线和敷铜的知识。二、任务讲解印刷电路板结构图顶层中间层底层绝缘层通孔埋孔盲孔情境2电子整机的印刷电路板设计52．PCB设计步骤选择元器件PCB布线绘制原理图生成网络表规划电路板导入网络表元器件布局文档输出PCB设计步骤情境2电子整机的印刷电路板设计63．元器件选择（1）选择印制板根据整机的机械结构确定电路板的形状、尺寸和厚度，根据整机的机械和电气性能要求选择PCB的板材，根据元器件的密集程度及安装方式确定是用单面板还是双面板。情境2电子整机的印刷电路板设计7（2）选择元器件•电路要经过电气测试，能达到设计要求时才能确定元器件。•元器件的主要参数应该与设计相符，不能随意感动•元器件的封装要考虑整机的结构和PCB的大小，少用大型封装的元器件。•根据产品的功能、性能要求、整机成本和使用环境等选择适合的元器件。•元器件要便于运输、储存、维护和节能，要便于简化生产工艺和降低生产费用。•尽量使用易于采购的常规元器件满足现有设备的生产。情境2电子整机的印刷电路板设计84．原理图绘制常规(1）根据电路图的大小设置好图纸尺寸，一般不需要标题栏；(2）原理图应该美观，元件分布合乎常规，接口、端子等一般放置在图的边沿；（3）元件的编号、参数、网络标号、端口名称等要认真输入，不要搞错；（4）注意连接元件管脚的“导线”应接在脚的端部，网络编号的位置要准确，电源端口的名称不要搞错，元件封装的输入要满足PCB设计时的要求；情境2电子整机的印刷电路板设计9（5）注意晶体管元件的电路符号管脚名称应该和封装的管脚名称相符，否则在PCB中脚上无连接线；（6）含子元件的元件，应在子元件用完后再用第二个元件，（7）自己绘制的原理图元件，图样应该尽可能按照标准绘制，大小要合适，注意管脚电气接点应该在栅格交叉点上。情境2电子整机的印刷电路板设计105．元器件布局设计(1)元器件布局基本原则①元器件布局应保证安装后的电路板电气和机械性能良好，保证电路板的加工工序合理，以提高加工效率和合格率。一般来说PCB元器件布局完成，安装能用的生产工艺也就基本定下来了。情境2电子整机的印刷电路板设计11②按信号流程布局的原则将PCB分成若干块，按照电路的信号流程，依次在每一快上安装一个电路单元，每个单元以电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。一般以三极管或集成电路等作为核心元器件，该单元的其它元器件围绕在它周围。元器件的布局应便于信号流通，使信号尽可能保持一致的方向。多数情况下，信号的流向安排为从左到右或从上到下，与输入、输出端直接相连的元器件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。情境2电子整机的印刷电路板设计12③特殊元器件优先布局的原则对于可能由电、磁、热、机械等因素引起干扰或对整机性能和布局有重大影响的特殊元器件，在着手设计印制板的版面、决定整机电路布局的时候，应该根据电气原理，首先决定它们的位置，然后再安排其它元器件。情境2电子整机的印刷电路板设计13④操控性元器件定位布局的原则对于与操作、控制、接口相关的元器件只能安装在规定的位置。如各种调节电位器、可变电容器、红外接收器、各种输入/输出端子等，只能安装在电路板的边缘，以便于伸出或靠近机壳。（2）防止电磁干扰①减少电磁辐射元器件的辐射强度。②降低辐射源与被辐射元器件之间的耦合因素。③提高受干扰元器件的抗干扰能力。情境2电子整机的印刷电路板设计14（3）抑制热干扰①对于发热元器件，应安排在利于散热的位置或留出散热空间，一般安装在PCB边缘，必要时可以单独设置散热器或小风扇，以降低温度，减少对邻近元件的影响。②受温度影响较大的元器件，应该远离热源。注意电解电容的失效有不少是因为常时间受热引起。③温度检测器件应紧贴被测元器件并远离其它高温区域，以保证检测的准确性，避免引起误动作。④双面放置元件时，底层一般不放置发热元件。情境2电子整机的印刷电路板设计15（4）布局其它注意事项①通常条件下，所有的元件均应布置在印制板的同一面上。②在保证电气性能的前提下，元器件应排列整齐、美观，分布均匀、疏密恰当。③根据PCB的大小和元器件的数量确定安装方式，选择立式安装还是卧式安装。④如果元器件或导线之间有较高的电压，应加大它们的距离，以免因放电而引起意外。⑤带高电压的元件应尽量布置在调试时手不易触及的地方，最好加上防护设施。情境2电子整机的印刷电路板设计16⑥PCB边上要留有一定空间，以便于安装和波峰焊机。⑦大型和不便在PCB上安装的元器件可以安装在机壳上。⑧在生产和维修时需要调试和检测的元器件及可插拔端子，布局时要留有足够空间。⑨元器件之间要有合适的间距，避免引脚和金属外壳相碰而造成短路。⑩元器件的布局要符合PCB安装工艺的要求。情境2电子整机的印刷电路板设计176．PCB布线设计（1）PCB布线基本原则①PCB布线应保证电路板焊接时焊点合格、不损伤元器件、成品电路板能正常工作，保证产品技术性能达到设计要求。②在满足电气和机械性能的基础上，布线应该整齐、美观，同一个单元电路的走线应尽量布置在一块，尽量不用或少用过孔及跳线，导线要尽量不用长导线，。③protelse可以自动布线，但一般需要手工调整，达到PCB布线合理和便于生产加工。手动布线时可以根据要求适当调整元器件布局。情境2电子整机的印刷电路板设计18（2）焊盘和过孔处理①焊盘的大小和形状以及焊盘通孔的孔径要与焊接元器件相适应，还要考虑焊点通过电流的大小。②务必处理好过孔与周边各实体的间隙，需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大。（3）印制导线处理①印制导线的宽度。主要由铜箔与绝缘基板之间的粘附强度和流过导线的电流强度来决定。应尽量采用较宽的导线，特别是电源线、地线及大电流的信号线，更要适当加宽。②印制导线的间距。应当考虑导线之间的绝缘电阻和击穿电压在最坏的工作条件下的要求。导线越短、间距越大，则绝缘电阻和耐压增加。情境2电子整机的印刷电路板设计19③印制导线的走向和形状。•不能有急剧的拐弯和尖角，拐角不得小于90度，否则会引起印制导线剥离或翘起。最佳的拐弯形式是平缓的过渡，即拐角的内角和外角最好都是圆弧。•导线通过两个焊盘之间而不与它们连通时，应该与它们保持均等的间距；同样，多条导线之间的距离也应当均匀一般保持间距相等。•导线与焊盘的连接处的过度也要圆滑，避免出现小尖角。Protel中用补“泪滴”处理。•印制导线应尽量避免交叉，以减少过孔和跳线。情境2电子整机的印刷电路板设计20（4）覆铜和字符处理（1）覆铜能降低导线阻抗，使导线导电能力增强，但要根据实际需要选择是否覆铜和怎样覆铜，处理不好可能会适得其反。（2）可以用覆铜制作出需要的字符，如PCB编号、设计日期、设计单位等文字和其它图形符号，但原则是不要影响到PCB正常的布线。情境2电子整机的印刷电路板设计21（5）印制导线的干扰和消除①地线的干扰和消除地线干扰主要来自于地线阻抗。消除公共阻抗耦合干扰有两个方法：一是减小公共地线部分的阻抗，如地线加宽和覆铜，或者不涂助焊剂在过锡时加厚地线；二是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，如将强电电路和弱电电路、交流电路和直流电路、数字电路和模拟电路、高速电路和低速电路等的元器件分开接地，最后再集中一点共地。②电源线的干扰和消除电源线的干扰主要来自电源线路和稳压电源，消除电源的干扰主要依靠线路滤波器、退耦、滤波等电路元器件消除。情境2电子整机的印刷电路板设计22③电磁场的干扰减小寄生电容的电场影响的方法：一是减小寄生电容的容量，即增大导线的间距和缩短导线的长度；二是在这两条导线之间布地线，低阻抗的地线可以削弱产生干扰的电场。减小寄生电感的磁场影响的方法是减小互感耦合：一是导线距离增大、长度缩短；二是导线垂直布线，双面板利用两面使走线正交，单面板用跳线跨越正交。如果两根导线中流过的是等值反向的电流，在不考虑它们之间的相符影响条件下，应该将这两根导线尽量靠近，这时对其它导线来说它们相当于一根零电流的导线，干扰得到了有效的减小。情境2电子整机的印刷电路板设计237．实训注意事项•在protel的系统菜单设置项里，将自动保存时间设置为10分钟，防止以外停电、死机；•设计的文档要保管好，以免丢失或被他人篡改，每一组最好准备一个U盘。•PCB板的尺寸大小要合理，在满足其它设计要求的情况下，可适当将板子做得小一些，以降低成本；•在原理图和PCB图编辑器里，生成本设计自带的元件库和封装库，以便到其它的电脑上打开你的PCB文档。•设计的PCB铜膜走线不要过细，否则在雕刻时易断。情境2电子整机的印刷电路板设计248.PCB设计实例：直流稳压电源的设计D21N4002D31N4002D41N4002D51N4002D61N4002D71N4002C12200uF/50VC310uF/50VC447uF/50VC20.1uFVin3ADJ1+Vout2ULM317TRP4.7kR2240F22AD1LEDR127kT30V~F10.5ASVA220V~+_情境2电子整机的印刷电路板设计25第一步：选择元器件•只需要对图中虚线框内部分的电路设计印制板；•框外元器件、D1、、F2、RP安装在机壳上，D1、F2和RP在PCB上仍以相应的封装设计，安装时可直接将元件的引脚用导线连接后焊接在PCB焊盘上；•输入和输出端按电源插座设计，实际安装时也可以不用插座而直接将导线焊在焊盘上。•三端稳压器利用金属机壳散热，在稳压器和外壳之间用聚酯膜或云母片绝缘，紧固在机壳上。•印制板选用普通单层板，尺寸80×50mm2就够了。情境2电子整机的印刷电路板设计26LM317直流稳压电源在PCB上的元器件编号参数规格所属元件库元件库中名称封装形式D1φ3红色MiscellaneousDevices.libLED*DIODE0.4D2～D71N4002MiscellaneousDevices.libDIODEDIODE0.4R127kMiscellaneousDevices.libRES2AXIAL0.4R2240kMiscellaneousDevices.libRES2AXIAL0.4RP4.7kMiscellaneousDevices.libPOT2*VR5C12200uF/50VMiscellaneousDevices.libELECTRO2RB.3/.6C20.1uF/50VMiscellaneousDevices.libCAPRAD0.2C310uF/50VMiscellaneousDevices.libELECTRO2RB.2/.4C447uF/50VMiscellaneousDevices.libELECTRO2RB.2/.4F22AMiscellaneousDevices.libFUSE1*RAD0.2U塑料封装ProtelDOSSchematicVoltageRegulators.libLM117TTO220VJ1、J2电源插座MiscellaneousDevices.libCON4FLY4印制板普通单面板80×50mm2情境2电子整机的印刷电路板设计27第二步：绘制原理图（ERC检查）情境2电子整机的印刷电路板设计28第三步：生成网络表第四步：规划电路板情境2电子整机的印刷电路板设计29第五步：导