高速PCB設(shè)計指南---PowerPCB在PCB設(shè)計中的應(yīng)用技術(shù)

 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的密度越來越高。PCB設(shè)計的好壞對抗干擾能力影響很大。實(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計正確，印制電路板設(shè)計不當(dāng)，也會對電子產(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，則會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計印制電路板的時候，應(yīng)注意采用正確的方法，遵守PCB設(shè)計的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計的要求。

一、 PCB設(shè)計的一般原則

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)計質(zhì)量好、造價低的PCB，應(yīng)遵循以下的一般性原則：

1.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)度和流過它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為0.5mm、寬度為1～15mm時，通過2A的電流，溫度不會高于3℃。因此，導(dǎo)線寬度為1.5mm可滿足要求。對于集成電路，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影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時間受熱時，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時，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。

2.布局

首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過小，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，對電路的全部元器件進(jìn)行布局。

在確定特殊元件的位置時要遵守以下原則：

(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)試時手不易觸及的地方。

(3)重量超過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)考慮散熱問題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。

(4)對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關(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。對電路的全部元器件進(jìn)行布局時，要符合以下原則：

(1)按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。

(2)以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(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。長寬雙為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200×150mm時，應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。

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)計與具體電路有著密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設(shè)計的幾項(xiàng)常用措施做一些說明。

1.電源線設(shè)計

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，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

在電子產(chǎn)品設(shè)計中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大部分干擾問題。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)流對干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地的方式。當(dāng)信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應(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，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的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。

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，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)接地線構(gòu)成閉環(huán)路。

設(shè)計只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時，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，因受接地線粗細(xì)的限制，會在地線上產(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，則會縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。

(4)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)品的定時信號電平不穩(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。

3.退藕電容配置

PCB設(shè)計的常規(guī)做法之一是在印制板的各個關(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)原則上每個集成電路芯片都應(yīng)布置一個0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4～8個芯片布置一個1～10pF的鉭電容。

(3)對于抗噪能力弱、關(guān)斷時電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，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，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，操作它們時均會產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來吸收放電電流。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)，因此在使用時對不用端要接地或接正電源。

三、 PowerPCB簡介

PowerPCB是美國Innoveda公司軟件產(chǎn)品。

PowerPCB能夠使用戶完成高質(zhì)量的設(shè)計，生動地體現(xiàn)了電子設(shè)計工業(yè)界各方面的內(nèi)容。其約束驅(qū)動的設(shè)計方法可以減少產(chǎn)品完成時間。你可以對每一個信號定義安全間距、布線規(guī)則以及高速電路的設(shè)計規(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、每一個網(wǎng)絡(luò)上、每一組網(wǎng)絡(luò)上、每一個管腳對上，以確保布局布線設(shè)計的正確性。它包括了豐富多樣的功能，包括簇布局工具、動態(tài)布線編輯、動態(tài)電性能檢查、自動尺寸標(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，而對于我所廣大電子應(yīng)用工程師來說，其問題在于已經(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。所以，本文就此類應(yīng)用和培訓(xùn)教材上沒有講到，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)范問題

對于大多數(shù)使用過TANGO的人來說，剛開始使用PowerPCB的時候，可能會覺得PowerPCB的限制太多。因?yàn)镻owerPCB對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，它的原理圖中沒有能夠?qū)⒁桓姎膺B線斷開的功能，也不能隨意將一根電氣連線在某個位置停止，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，以供不同頁面間的信息傳輸。這是它防止錯誤發(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)計中，凡是與原理圖網(wǎng)表不一致的改動都要到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方式時要選擇“寫ECO文件”選項(xiàng)，而只有退出ECO方式，才會進(jìn)行寫ECO文件操作。

2.電源層和地層的選擇

PowerPCB中對電源層和地層的設(shè)置有兩種選擇，CAM Plane和Split/Mixed。Split/Mixed主要用于多個電源或地共用一個層的情況，但只有一個電源和地時也可以用。它的主要優(yōu)點(diǎn)是輸出時的圖和光繪的一致，便于檢查。而CAM Plane用于單個的電源或地，這種方式是負(fù)片輸出，要注意輸出時需加上第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，保證金屬化過孔之后，不會有信號與地電相連。這就需要每個焊盤都包含有第25層的信息。而我們自己建庫時往往會忽略這個問題，造成使用Split/Mixed選項(xiàng)。

3.推擠還是不推擠

PowerPCB提供了一個很好用的功能就是自動推擠。當(dāng)我們手動布線時，印制板在我們的完全控制之下，打開自動推擠的功能，會感到非常的方便。但是如果在你完成了預(yù)布線之后，要自動布線時，最好將預(yù)布好的線固定住，否則自動布線時，軟件會認(rèn)為此線段可移動，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，但是對于PowerPCB來說，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許多的錯誤，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”項(xiàng)。這樣在檢查時，PowerPCB不會認(rèn)為這個器件是需要與網(wǎng)表比較的，不會出現(xiàn)不該有的錯誤。

5.添加新的電源封裝

由于我們的國際與美國軟件公司的標(biāo)準(zhǔn)不太一致，所以我們盡量配備了國際庫供大家使用。但是電源和地的新符號，必須在軟件自帶的庫中添加，否則它不會認(rèn)為你建的符號是電源。

所以當(dāng)我們要建一個符合國標(biāo)的電源符號時，需要先打開現(xiàn)有的電源符號組，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名，繪制出你需要的形狀，退出繪圖狀態(tài)，保存。這個新的符號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)我們建庫的時候，就要注意，否則標(biāo)志為NC的管腳會連在一起。這是由于你在建庫時將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，你根本無需理睬它，不用作任何特殊的定義。

7.三極管的管腳對照

三極管的封裝變化很多，當(dāng)自己建三極管的庫時，我們往往會發(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。這個問題主要還是出在建庫上。

由于三極管的管腳往往用E，B，C來標(biāo)志，所以在創(chuàng)建自己的三極管庫時，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，“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封裝對應(yīng)連線時會感到比較便于識別。

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越多的應(yīng)用。在布圖過程中，表面貼器件的處理很重要，尤其是在布多層板的時候。因?yàn)?，表面貼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覀冎皇窃谧詣硬季€的設(shè)置文件中選擇了要作扇入，扇出操作，軟件會在布線的過程中進(jìn)行這項(xiàng)操作，這時，拉出的線就會曲曲折折，而且比較長。所以，我們可以在布局完成后，先進(jìn)入自動布線器，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的線比較短，也比較整齊。

9.將板圖加入AUTOCAD

有時我們需要將印制板圖加入到結(jié)構(gòu)圖中，這時可以通過轉(zhuǎn)換工具將PCB文件轉(zhuǎn)換成AUTOCAD能夠識別的格式。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中打開個這圖了。

當(dāng)然，PADS中有自動標(biāo)注功能，可以對畫好的印制板進(jìn)行尺寸標(biāo)注，自動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，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)行自動布線等功能，而且，PowerPCB中有鏈接工具，可以與VIEWDRAW的原理圖動態(tài)鏈接、修改，保持電氣連接的一致性。

但是，由于軟件修改升級的版本的差別，有時兩個軟件對器件名稱的定義不一致，會造成網(wǎng)表傳輸錯誤。要避免這種錯誤的發(fā)生，最好專門建一個存放ViewDraw與PowerPCB對應(yīng)器件的庫，當(dāng)然這只是針對于一部分不匹配的器件來說的?？梢杂肞owerPCB中的拷貝功能，很方便地將已存在的PowerPCB中的其它庫里的元件封裝拷貝到這個庫中，存成與VIEWDRAW中相對應(yīng)的名字。

11.生成光繪文件

以前，我們做印制板時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)的說明文件?，F(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，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)走線時要將LINE,TEXT去掉(除非你要在線路上做銅字)。

C.轉(zhuǎn)阻焊時，將文檔類型選為SOLD_MASK，在頂層阻焊中要將過孔選中。

D.轉(zhuǎn)絲印時，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，將文檔類型選為NC DRILL，直接轉(zhuǎn)換。

注意，轉(zhuǎn)光繪文件時要先預(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。

有了對印制板設(shè)計的經(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的廣大的科技人員可以更加方便的加入到PowerPCB繪圖的行列中來，更加方便快捷地繪制出滿意的印制板。

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