解密PROTEL DXP軟件的PCB設(shè)計(jì)技巧

Protel DXP是第一個將所有設(shè)計(jì)工具集于一身的板級設(shè)計(jì)系統(tǒng)，電子設(shè)計(jì)者從最初的項(xiàng)目模塊規(guī)劃到最終形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)都可以按照自己的設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)。Protel DXP運(yùn)行在優(yōu)化的設(shè)計(jì)瀏覽器平臺上，并且具備當(dāng)今所有先進(jìn)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能夠處理各種復(fù)雜的PCB設(shè)計(jì)過程。Protel DXP作為一款新推出的電路設(shè)計(jì)軟件，在前版本的基礎(chǔ)上增加了許多新的功能。新的可定制設(shè)計(jì)環(huán)境功能包括雙顯示器支持，可固定、浮動以及彈出面板，強(qiáng)大的過濾和對象定位功能及增強(qiáng)的用戶界面等。通過設(shè)計(jì)輸入仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)渥詣硬季€、信號完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)融合，Protel DXP提供了全面的設(shè)計(jì)解決方案。

PCB電路板設(shè)計(jì)的一般原則包括：電路板的選用、電路板尺寸、元件布局、布線、焊盤、填充、跨接線等。

電路板一般用敷銅層壓板制成，板層選用時要從電氣性能、可靠性、加工工藝要求和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面考慮。常用的敷銅層壓板是敷銅酚醛紙質(zhì)層壓板、敷銅環(huán)氧紙質(zhì)層壓板、敷銅環(huán)氧玻璃布層壓板、敷銅環(huán)氧酚醛玻璃布層壓板、敷銅聚四氟乙烯玻璃布層壓板和多層印刷電路板用環(huán)氧玻璃布等。不同材料的層壓板有不同的特點(diǎn)。環(huán)氧樹脂與銅箔有極好的粘合力，因此銅箔的附著強(qiáng)度和工作溫度較高，可以在260℃的熔錫中不起泡。環(huán)氧樹脂浸過的玻璃布層壓板受潮氣的影響較小。超高頻電路板最好是敷銅聚四氟乙烯玻璃布層壓板。

在要求阻燃的電子設(shè)備上，還需要阻燃的電路板，這些電路板都是浸入了阻燃樹脂的層壓板。電路板的厚度應(yīng)該根據(jù)電路板的功能、所裝元件的重量、電路板插座的規(guī)格、電路板的外形尺寸和承受的機(jī)械負(fù)荷等來決定。

主要是應(yīng)該保證足夠的剛度和強(qiáng)度。

常見的電路板的厚度有0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm

從成本、銅膜線長度、抗噪聲能力考慮，電路板尺寸越小越好，但是板尺寸太小，則散熱不良，且相鄰的導(dǎo)線容易引起干擾。電路板的制作費(fèi)用是和電路板的面積相關(guān)的，面積越大，造價越高。在設(shè)計(jì)具有機(jī)殼的電路板時，電路板的尺寸還受機(jī)箱外殼大小的限制，一定要在確定電路板尺寸前確定機(jī)殼大小，否則就無法確定電路板的尺寸。一般情況下，在禁止布線層中指定的布線范圍就是電路板尺寸的大小。電路板的最佳形狀是矩形，長寬比為3：2或4：3，當(dāng)電路板的尺寸大于200mm×150mm時，應(yīng)該考慮電路板的機(jī)械強(qiáng)度?？傊?，應(yīng)該綜合考慮利弊來確定電路板的尺寸。

雖然Protel DXP能夠自動布局，但是實(shí)際上電路板的布局幾乎都是手工完成的。

要進(jìn)行布局時，一般遵循如下規(guī)則：

1.特殊元件的布局

特殊元件的布局從以下幾個方面考慮：

1)高頻元件：高頻元件之間的連線越短越好，設(shè)法減小連線的分布參數(shù)和相互之間的電磁干擾，易受干擾的元件不能離得太近。隸屬于輸入和隸屬于輸出的元件之間的距離應(yīng)該盡可能大一些。

2)具有高電位差的元件：應(yīng)該加大具有高電位差元件和連線之間的距離，以免出現(xiàn)意外短路時損壞元件。為了避免爬電現(xiàn)象的發(fā)生，一般要求2000V電位差之間的銅膜線距離應(yīng)該大于2mm，若對于更高的電位差，距離還應(yīng)該加大。帶有高電壓的器件，應(yīng)該盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。

3)重量太大的元件：此類元件應(yīng)該有支架固定，而對于又大又重、發(fā)熱量多的元件，不宜安裝在電路板上。

4)發(fā)熱與熱敏元件：注意發(fā)熱元件應(yīng)該遠(yuǎn)離熱敏元件。

5)可以調(diào)節(jié)的元件：對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容、微動開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)該考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求，若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)該放在電路板上容易調(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)箱面板上的位置相對應(yīng)。

6)電路板安裝孔和支架孔：應(yīng)該預(yù)留出電路板的安裝孔和支架的安裝孔，因?yàn)檫@些孔和孔附近是不能布線的。

2.按照電路功能布局

如果沒有特殊要求，盡可能按照原理圖的元件安排對元件進(jìn)行布局，信號從左邊進(jìn)入、從右邊輸出，從上邊輸入、從下邊輸出。按照電路流程，安排各個功能電路單元的位置，使信號流通更加順暢和保持方向一致。以每個功能電路為核心，圍繞這個核心電路進(jìn)行布局，元件安排應(yīng)該均勻、整齊、緊湊，原則是減少和縮短各個元件之間的引線和連接。數(shù)字電路部分應(yīng)該與模擬電路部分分開布局。

3.元件離電路板邊緣的距離

所有元件均應(yīng)該放置在離板邊緣3mm以內(nèi)的位置，或者至少距電路板邊緣的距離等于板厚，這是由于在大批量生產(chǎn)中進(jìn)行流水線插件和進(jìn)行波峰焊時，要提供給導(dǎo)軌槽使用，同時也是防止由于外形加工引起電路板邊緣破損，引起銅膜線斷裂導(dǎo)致廢品。如果電路板上元件過多，不得已要超出3mm時，可以在電路板邊緣上加上3mm輔邊，在輔邊上開V形槽，在生產(chǎn)時用手掰開。

4.元件放置的順序

首先放置與結(jié)構(gòu)緊密配合的固定位置的元件，如電源插座、指示燈、開關(guān)和連接插件等。再放置特殊元件，例如發(fā)熱元件、變壓器、集成電路等。最后放置小元件，例如電阻、電容、二極管等。

布線的規(guī)則如下：

1)線長：銅膜線應(yīng)盡可能短，在高頻電路中更應(yīng)該如此。銅膜線的不拐彎處應(yīng)為圓角或斜角，而直角或尖角在高頻電路和布線密度高的情況下會影響電氣性能。當(dāng)雙面板布線時，兩面的導(dǎo)線應(yīng)該相互垂直、斜交或彎曲走線，避免相互平行，以減少寄生電容。

2)線寬：銅膜線的寬度應(yīng)以能滿足電氣特性要求而又便于生產(chǎn)為準(zhǔn)則，它的最小值取決于流過它的電流，但是一般不宜小于0.2mm.只要板面積足夠大，銅膜線寬度和間距最好選擇0.3mm.一般情況下，1~1.5mm的線寬，允許流過2A的電流。例如地線和電源線最好選用大于1mm的線寬。在集成電路座焊盤之間走兩根線時，焊盤直徑為50mil，線寬和線間距都是10mil，當(dāng)焊盤之間走一根線時，焊盤直徑為64mil，線寬和線間距都為12mil.注意公制和英制之間的轉(zhuǎn)換，100mil=2.54mm.

3)線間距：相鄰銅膜線之間的間距應(yīng)該滿足電氣安全要求，同時為了便于生產(chǎn)，間距應(yīng)該越寬越好。最小間距至少能夠承受所加電壓的峰值。在布線密度低的情況下，間距應(yīng)該盡可能的大。

4)屏蔽與接地：銅膜線的公共地線應(yīng)該盡可能放在電路板的邊緣部分。在電路板上應(yīng)該盡可能多地保留銅箔做地線，這樣可以使屏蔽能力增強(qiáng)。另外地線的形狀最好作成環(huán)路或網(wǎng)格狀。多層電路板由于采用內(nèi)層做電源和地線專用層，因而可以起到更好的屏蔽作用效果。

焊盤

焊盤尺寸焊盤的內(nèi)孔尺寸必須從元件引線直徑和公差尺寸以及鍍錫層厚度、孔徑公差、孔金屬化電鍍層厚度等方面考慮，通常情況下以金屬引腳直徑加上0.2mm作為焊盤的內(nèi)孔直徑。例如，電阻的金屬引腳直徑為0.5mm，則焊盤孔直徑為0.7mm，而焊盤外徑應(yīng)該為焊盤孔徑加1.2mm，最小應(yīng)該為焊盤孔徑加1.0mm.當(dāng)焊盤直徑為1.5mm時，為了增加焊盤的抗剝離強(qiáng)度，可采用方形焊盤。對于孔直徑小于0.4mm的焊盤，焊盤外徑/焊盤孔直徑=0.5~3.對于孔直徑大于2mm的焊盤，焊盤外徑/焊盤孔直徑=1.5~2.

常用的焊盤尺寸如表1-1所示表16-1

常用的焊盤尺寸

焊盤孔直徑/mm

0.4 0.5 0.6 0.8 1.0 1.2 1.6 2.0

焊盤外徑/mm

1.5 1.5 2.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4

注意事項(xiàng)：

設(shè)計(jì)焊盤時的注意事項(xiàng)如下：

1)焊盤孔邊緣到電路板邊緣的距離要大于1mm，這樣可以避免加工時導(dǎo)致焊盤缺損。

2)焊盤補(bǔ)淚滴，當(dāng)與焊盤連接的銅膜線較細(xì)時，要將焊盤與銅膜線之間的連接設(shè)計(jì)成淚滴狀，這樣可以使焊盤不容易被剝離，而銅膜線與焊盤之間的連線不易斷開。

3)相鄰的焊盤要避免有銳角。

大面積填充

電路板上的大面積填充的目的有兩個，一個是散熱，另一個是用屏蔽減少干擾，為避免焊接時產(chǎn)生的熱使電路板產(chǎn)生的氣體無處排放而使銅膜脫落，應(yīng)該在大面積填充上開窗，后者使填充為網(wǎng)格狀。使用敷銅也可以達(dá)到抗干擾的目的，而且敷銅可以自動繞過焊盤并可連接地線。

跨接線

在單面電路板的設(shè)計(jì)中，當(dāng)有些銅膜無法連接時，通常的做法是使用跨接線，跨接線的長度應(yīng)該選擇如下幾種：6mm、8mm和10mm.

接地

1地線的共阻抗干擾電路圖上的地線表示電路中的零電位，并用作電路中其它各點(diǎn)的公共參考點(diǎn)，在實(shí)際電路中由于地線(銅膜線)阻抗的存在，必然會帶來共阻抗干擾，因此在布線時，不能將具有地線符號的點(diǎn)隨便連接在一起，這可能引起有害的耦合而影響電路的正常工作。

2.如何連接地線

通常在一個電子系統(tǒng)中，地線分為系統(tǒng)地、機(jī)殼地（屏蔽地）、數(shù)字地（邏輯地）和模擬地等幾種，在連接地線時應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

1）正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號頻率小于1MHz，布線和元件之間的電感可以忽略，而地線電路電阻上產(chǎn)生的壓降對電路影響較大，所以應(yīng)該采用單點(diǎn)接地法。當(dāng)信號的頻率大于10MHz時，地線電感的影響較大，所以宜采用就近接地的多點(diǎn)接地法。當(dāng)信號頻率在1~10MHz之間時，如果采用單點(diǎn)接地法，地線長度不應(yīng)該超過波長的1/20，否則應(yīng)該采用多點(diǎn)接地。

2）數(shù)字地和模擬地分開。電路板上既有數(shù)字電路，又有模擬電路，應(yīng)該使它們盡量分開，而且地線不能混接，應(yīng)分別與電源的地線端連接（最好電源端也分別連接）。要盡量加大線性電路的面積。一般數(shù)字電路的抗干擾能力強(qiáng)，TTL電路的噪聲容限為0.4~0.6V，CMOS數(shù)字電路的噪聲容限為電源電壓的0.3~0.45倍，而模擬電路部分只要有微伏級的噪聲，就足以使其工作不正常。所以兩類電路應(yīng)該分開布局和布線。

3）盡量加粗地線。若地線很細(xì)，接地電位會隨電流的變化而變化，導(dǎo)致電子系統(tǒng)的信號受到干擾，特別是模擬電路部分，因此地線應(yīng)該盡量寬，一般以大于3mm為宜。

4）將接地線構(gòu)成閉環(huán)。當(dāng)電路板上只有數(shù)字電路時，應(yīng)該使地線形成環(huán)路，這樣可以明顯提高抗干擾能力，這是因?yàn)楫?dāng)電路板上有很多集成電路時，若地線很細(xì)，會引起較大的接地電位差，而環(huán)形地線可以減少接地電阻，從而減小接地電位差。

5）同一級電路的接地點(diǎn)應(yīng)該盡可能靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應(yīng)該接在本級的接地點(diǎn)上。

6）總地線的接法。總地線必須嚴(yán)格按照高頻、中頻、低頻的順序一級級地從弱電到強(qiáng)電連接。高頻部分最好采用大面積包圍式地線，以保證有好的屏蔽效果。

抗干擾

具有微處理器的電子系統(tǒng)，抗干擾和電磁兼容性是設(shè)計(jì)過程中必須考慮的問題，特別是對于時鐘頻率高、總線周期快的系統(tǒng)；含有大功率、大電流驅(qū)動電路的系統(tǒng)；含微弱模擬信號以及高精度A/D變換電路的系統(tǒng)。為增加系統(tǒng)抗電磁干擾能力應(yīng)考慮采取以下措施：

1）選用時鐘頻率低的微處理器。只要控制器性能能夠滿足要求，時鐘頻率越低越好，低的時鐘可以有效降低噪聲和提高系統(tǒng)的抗干擾能力。由于方波中包含各種頻率成分，其高頻成分很容易成為噪聲源，一般情況下，時鐘頻率3倍的高頻噪聲是最具危險性的。

2）減小信號傳輸中的畸變。當(dāng)高速信號（信號頻率高=上升沿和下降沿快的信號）在銅膜線上傳輸時，由于銅膜線電感和電容的影響，會使信號發(fā)生畸變，當(dāng)畸變過大時，就會使系統(tǒng)工作不可靠。一般要求，信號在電路板上傳輸?shù)你~膜線越短越好，過孔數(shù)目越少越好。典型值：長度不超過25cm，過孔數(shù)不超過2個。

3）減小信號間的交叉干擾。當(dāng)一條信號線具有脈沖信號時，會對另一條具有高輸入阻抗的弱信號線產(chǎn)生干擾，這時需要對弱信號線進(jìn)行隔離，方法是加一個接地的輪廓線將弱信號包圍起來，或者是增加線間距離，對于不同層面之間的干擾可以采用增加電源和地線層面的方法解決。

4）減小來自電源的噪聲。電源在向系統(tǒng)提供能源的同時，也將其噪聲加到所供電的系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的復(fù)位、中斷以及其它一些控制信號最易受外界噪聲的干擾，所以，應(yīng)該適當(dāng)增加電容來濾掉這些來自電源的噪聲。

5）注意電路板與元器件的高頻特性。在高頻情況下，電路板上的銅膜線、焊盤、過孔、電阻、電容、接插件的分布電感和電容不容忽略。由于這些分布電感和電容的影響，當(dāng)銅膜線的長度為信號或噪聲波長的1/20時，就會產(chǎn)生天線效應(yīng)，對內(nèi)部產(chǎn)生電磁干擾，對外發(fā)射電磁波。一般情況下，過孔和焊盤會產(chǎn)生0.6pF的電容，一個集成電路的封裝會產(chǎn)生2~6pF的電容，一個電路板的接插件會產(chǎn)生520mH的電感，而一個DIP-24插座有18nH的電感，這些電容和電感對低時鐘頻率的電路沒有任何影響，而對于高時鐘頻率的電路必須給予注意。

6）元件布置要合理分區(qū)。元件在電路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題。原則之一就是各個元件之間的銅膜線要盡量的短，在布局上，要把模擬電路、數(shù)字電路和產(chǎn)生大噪聲的電路（繼電器、大電流開關(guān)等）合理分開，使它們相互之間的信號耦合最小。

7）處理好地線。按照前面提到的單點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地方式處理地線。將模擬地、數(shù)字地、大功率器件地分開連接，再匯聚到電源的接地點(diǎn)。電路板以外的引線要用屏蔽線，對于高頻和數(shù)字信號，屏蔽電纜兩端都要接地，低頻模擬信號用的屏蔽線，一般采用單端接地。對噪聲和干擾非常敏感的電路或高頻噪聲特別嚴(yán)重的電路應(yīng)該用金屬屏蔽罩屏蔽。

8）去耦電容。去耦電容以瓷片電容或多層陶瓷電容的高頻特性較好。設(shè)計(jì)電路板時，每個集成電路的電源和地線之間都要加一個去耦電容。去耦電容有兩個作用，一方面是本集成電路的儲能電容，提供和吸收該集成電路開門和關(guān)門瞬間的充放電電能，另一方面，旁路掉該器件產(chǎn)生的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容為0.1μF，這樣的電容有5nH的分布電感，可以對10MHz以下的噪聲有較好的去耦作用。一般情況下，選擇0.01~0.1μF的電容都可以。

一般要求沒10片左右的集成電路增加一個10μF的充放電電容。另外，在電源端、電路板的四角等位置應(yīng)該跨接一個10~100μF的電容。高頻布線