跟我學(xué)做印制板（8）

一、布局

印制板圖中，在“Mechanical1”（ 機械1 層）畫了一個矩形（參見圖1），作為暫定的印制板形狀，然后根據(jù)元件的擺放和布局要求調(diào)整印制板尺寸。

圖1 印制板圖更新結(jié)果

元件布局是印制板設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。初學(xué)者往往急于布線，殊不知布局的質(zhì)量直接影響到后面的布線，甚至影響到產(chǎn)品的電氣性能，組裝與維修的方便等。雖然這個設(shè)計例子很簡單，但我們還是要對布局多講幾句。

首先，要考慮印制板尺寸大小。印制板的大小和形狀，往往受整機結(jié)構(gòu)設(shè)計限制。有時候結(jié)構(gòu)設(shè)計給了印制板較大的尺寸可選擇空間，這時，印制板設(shè)計人員就應(yīng)合理確定印制板尺寸大小。

印制板尺寸較大時，設(shè)計過程比較輕松，但印制導(dǎo)線線條長，阻抗增加，抗干擾能力下降，成本也增加；過小，設(shè)計和組裝調(diào)試難度增加，散熱不好，且鄰近走線之間易產(chǎn)生相互干擾。有時，由于整機結(jié)構(gòu)的需要，印制板的形狀并不是規(guī)則的矩形，就需要嚴格按照整機結(jié)構(gòu)確定印制板的形狀和尺寸。

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行布局。有時，難于預(yù)先確定PCB 尺寸，可以“假設(shè)”得大一些，完成布局以后，再適當(dāng)縮小至合理尺寸。

下面是一些布局的基本原則，但不是圣經(jīng)，僅供參考。

　　1 . 確定特殊元件的位置

（a） 應(yīng)首先留出印制板定位孔及固定支架等所占用位置，滿足安裝結(jié)構(gòu)方面的需求。

（b） 對于電位器、可變電容器、可調(diào)電感線圈或微動開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機的結(jié)構(gòu)要求，若是機外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機箱面板上的位置相適應(yīng)；若是機內(nèi)調(diào)節(jié)，則應(yīng)放置在印制電路板便于調(diào)節(jié)的地方。

安放顯示器件的印制板，要嚴格控制安裝位置和顯示窗口的相互關(guān)系。

（d） 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，甚至設(shè)計“開槽”，提供空氣間隙，避免“爬電”。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，并在“絲印層”做出高電壓標(biāo)志。

（e） 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)裝在整機的機箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問題。熱敏元件應(yīng)遠離發(fā)熱元件，除非本來就是用于對發(fā)熱元件的檢測。

（f） 接插件盡可能放置在印制板邊沿處，如果要放在較為中心的位置，則周圍不應(yīng)有較高的元件，以便于插拔。

　　2 . 按照信號走向布局原則

（a） 通常按照信號的流程逐個安排各個功能電路單元的位置，以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它進行布局。

（b） 元件的布局應(yīng)便于信號流通，使信號盡可能保持一致的方向。多數(shù)情況下，信號的流向安排為從左到右或從上到下，與輸入、輸出端直接相連的元件應(yīng)當(dāng)放在靠近輸入、輸出接插件或連接器的地方。

3 . 根據(jù)功能單元布局

根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：

（a） 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。

（b） 以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。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。

（c） 在保證電氣性能的前提下，元件應(yīng)放置在柵格上且相互平行或垂直排列，一般情況下不允許元件重疊。這樣，不但整齊、美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。

（d） 位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm（約80mil）。電路板的最佳形狀為矩形，推薦長寬比為3 ：2 或4 ：3。電路板面尺寸大于200x150mm 時。應(yīng)考慮電路板所受的機械應(yīng)力強度，必要時加強固定支撐。

（e） 在通常條件下， 所有的元件均應(yīng)布置在印制電路的同一面上，只有在頂層元件過密時，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片IC 等放在底層。

（f） 元件在整個板面上應(yīng)盡可能分布均勻、疏密一致。

4. 防止電磁干擾

（a） 在高頻工作的電路，要考慮元件之間的分布參數(shù)的影響。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，例如，繞線式電感避免軸線平行近距離放置。

（b） 對輻射電磁場較強的元件，以及對電磁感應(yīng)較靈敏的元件，應(yīng)加大它們相互之間的距離或加以屏蔽，元件放置的方向應(yīng)與相鄰的印制導(dǎo)線交叉。

（c） 盡量避免高低電壓器件相互混雜、強弱信號的器件交錯在一起。

d） 對于會產(chǎn)生磁場的元件，如變壓器、揚聲器、電感等，布局時應(yīng)注意減少磁力線對印制導(dǎo)線的切割，相鄰元件磁場方向應(yīng)相互垂直，減少彼此之間的耦合。

（e） 對干擾源進行屏蔽，屏蔽罩應(yīng)有良好的接地。

（f） 輸入和輸出電路元件應(yīng)盡量遠離。

　　5. 抑制熱干擾

（a） 對于發(fā)熱元件，應(yīng)優(yōu)先安排在利于散熱的位置，必要時可以單獨設(shè)置散熱器或小風(fēng)扇，以降低溫度，減少對鄰近元件的影響。

（b） 一些功耗大的集成塊、大或中功率管、電阻等元件，要布置在容易散熱的地方，并與其它元件隔開一定距離。

（c） 熱敏元件應(yīng)緊貼被測元件并遠離高溫區(qū)域，以免受到其它發(fā)熱元件影響，引起誤動作。

（d） 雙面放置元件時，底層一般不放置發(fā)熱元件，除非有意使用機殼底板散熱。

6 . 布局操作實例

以圖1 為基礎(chǔ)，開始布局操作。元件網(wǎng)格設(shè)定為25mil（即元件以25mil 為距離單位移動）。

首先，在印制板4 個角，距離邊沿125mil處安放4 個安裝孔。操作是放置焊盤，外徑與孔徑相同，都是125mil（3.2mm），這樣制作出來孔的周圍無銅箔。

第二，放置兩個插座。這是孔距為156mil（3.96mm）的電源用插座，放置在印制板兩側(cè)，一個輸入，一個輸出。散熱件體積較大，放在中部靠上，周圍預(yù)留一定空間。

第三，根據(jù)走線盡量簡捷原則，放置其他元件。調(diào)整元件標(biāo)識符的位置，以整潔、美觀、無歧義為原則。

第四， 適當(dāng)緊縮元件間距， 縮小印制板。調(diào)整后的尺寸為2000mil×1400mil（ 約50.8mm×35mm）。

第五，在距板邊沿25mil 處，在“禁止布線層”繪制邊框。在4 個固定孔處，繪制150mil直徑的圓形禁止布線區(qū)域。

完成后的印制板布局結(jié)果如圖2。

圖2 布局結(jié)果

二、布線

一般的做法，是首先利用設(shè)計軟件進行自動布線，然后人工修改，使其更合理，更美觀。

1 . 設(shè)計規(guī)則在使用設(shè)計軟件進行自動布線以前，需要確定設(shè)計規(guī)則，Protel 2004 即根據(jù)規(guī)定的規(guī)則完成布線。在印制板設(shè)計環(huán)境下，點擊主菜單“設(shè)計”按鈕，下拉菜單中選擇“規(guī)則”，即出現(xiàn)“PCB規(guī)則和約束編輯器”。如圖3 所示，可見設(shè)計規(guī)則項目甚多，大致包括了電氣規(guī)則、布線規(guī)則、表面貼裝元件走線的特殊規(guī)則、掩膜、各層面設(shè)計規(guī)則、測試點、制造工藝、高速電路特殊規(guī)則、布局規(guī)則以及信號完整性約束等大項，每項下面還有若干子項。

圖3 所示為電氣規(guī)則大項下的“導(dǎo)體間最小間隙”約束項，這是印制板自動布線常用規(guī)則之一。默認規(guī)定是板上所有導(dǎo)體（全部對象）之間最小間隙為10mil。還可以根據(jù)需要指定特定對象，如某個網(wǎng)絡(luò)（例如電源）與其他對象之間有特定的間隙規(guī)定。較常見的有兩種情況，一是較高電壓的某網(wǎng)絡(luò)與其他所有對象之間應(yīng)有較大間隙，還有一種情況是某條網(wǎng)絡(luò)信號較弱，為防止干擾，需要和其他網(wǎng)絡(luò)之間有較大間隙。

圖3 PCB 規(guī)則和約束編輯器

如圖4，右鍵單擊“間隙”項，即有下拉菜單，選擇“新建規(guī)則”，該項目下會增加一個條目。對其予以定義，例如把一個匹配對象指定為某網(wǎng)絡(luò)（例如VCC），把第二個匹配對象指定為“全部對象”，并在約束中給出較大的值，例如15mil。那么，在自動布線時，網(wǎng)絡(luò)VCC 就會始終與其他所有對象（非VCC 網(wǎng)絡(luò)上的對象）之間保持15mil 以上距離。

圖4 新建規(guī)則——導(dǎo)體間隙

還有一個最常用的設(shè)計規(guī)則是導(dǎo)線寬度約束。在布線規(guī)則項下，第一個是“寬度”，即導(dǎo)線寬度。對于導(dǎo)線寬度的約束有3 個參數(shù)，分別是最大值、最小值和推薦值（Preferred）（如圖5）。自動布線時首先按照推薦值走線，間隙不夠時會減小導(dǎo)線寬度，直至最小值。

圖5

在實際設(shè)計中，不同網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)男盘枺ɑ蛲ㄟ^的電流）強弱有很大不同，對導(dǎo)線寬度要求也有很大區(qū)別，所以對所有對象作統(tǒng)一約束定義往往是不合理的。例如，在常用設(shè)計中，普通數(shù)字信號線路較多采用10mil 或12mil，而電源線路，在雙面板設(shè)計中常常使用50mil 甚至更大數(shù)值，多層板設(shè)計中則更是使用整個一層導(dǎo)體作“地”，一層作“電源”。

類似間隙約束，我們可以新建若干寬度約束規(guī)則（如圖6），分別對某些網(wǎng)絡(luò)予以單獨定義，如圖7，對網(wǎng)絡(luò)V0 單獨定義約束條件。

圖6 新建規(guī)則——導(dǎo)線寬度

圖7 對指定網(wǎng)絡(luò)定義導(dǎo)線寬度約束條件

常用到的約束條件還有過孔樣式、元件放置間隙等，就不一一列舉了，讀者可以試著操作體會。

2. 自動布線

確定了設(shè)計規(guī)則以后，就可以進行自動布線了。

在印制板設(shè)計環(huán)境下，點擊主菜單“自動布線”按鈕，即出現(xiàn)布線策略會話框，如圖8。會話框的上半部分是當(dāng)前布線規(guī)則的定義情況，來自設(shè)計規(guī)則定義，點擊“編輯規(guī)則”按鈕，則會彈出圖3 所示的設(shè)計規(guī)則約束編輯器，供設(shè)計者修改規(guī)則。會話框的下半部分是當(dāng)前使用的布線策略描述。

圖8 布線策略

點擊會話框下面的“Route All”（對所有對象布線），布線進行的過程中，會出現(xiàn)布線信息框，如圖9，提示當(dāng)前布線進行狀況。由于本設(shè)計實例較為簡單，布線進行得很快，顯示過程很快結(jié)束。由圖可見，布線進行時間極短即告結(jié)束。一共23 個連接，布線成功率（布通率）為100%。

圖9 布線信息

自動布線的結(jié)果如圖10。由圖可見只是“布通”而已，效果并不理想。如果本設(shè)計僅僅是為了驗證一下電路，或作一點相關(guān)測試，這樣也就“湊合”了。作為產(chǎn)品設(shè)計，顯然不行，所以需要進行人工修改。

圖10 自動布線結(jié)果