电子线路CAD实用教程－基于AltiumDesigner平台第9章双印制板设计举例

《电子线路CAD实用教程－基于AltiumDesigner平台第9章双印制板设计举例》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子线路CAD实用教程－基于AltiumDesigner平台第9章双印制板设计举例（33页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 第9章 双印制板设计举例9.1原理图及PCB文件的准备9.2 PCB文件准备9.3 在原理图中更新PCB文件9.4 元件布局9.5 PCB板3D模型显示9.6布线操作 第6第8章分别介绍了印制板设计基本概念与知识，以及Altium Designer内嵌PCB编辑器的基本操作方法、PCB库元件概念及维护。本章将以图9.1.2所示60W APFC反激器PCB设计为例，逐一介绍双面PCB板的编辑过程及注意事项。 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium

2、Designer平台 9.1原理图及PCB文件的准备 原理图编辑是印制板设计的前提和基础。对于同一电路系统来说，原理图中元器件电气连接与印制板中元器件连接关系完全相同，只是原理图中的元器件用“电气图形符号”表示，而印制板中的元器件用元件“封装图”描述；原理图中元器件连接关系采用具有电气属性的“导线”、“总线”、“总线分支”、“I/O端口”、“网络标号”等示意性图形表示，而在印制板中元器件连接关系用具有一定宽度的印制导线(铜线)、矩形填充区、实心多边形填充区、覆铜区等图件连接。 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 9.1.1

3、设计环境创建与原理图准备 在编辑PCB文件(.PcbDoc)前，可按下列步骤创建项目文件及相关设计文件。 (1) 执行“File”菜单下的“NewProjectPCB Project”命令，创建PCB类型项目文件(.PrjDoc)，并以“APFC反激(60W)”作为项目文件名保存。 (2) 执行“File”菜单下的“NewSchematic”命令，创建原理图文件(.SchDoc)，并以“APFC单管(60W)”作为原理图文件名保存。 (3) 在“元件库”面板内，分别装入用户元件库文件(包括元件电气图形符号库文件、PCB封装图库文件)。为提高软件运行速度，强烈建议装入用户元件库文件。 (4) 执

4、行“File”菜单下的“NewPCB”命令，创建PCB文件(.PcbDoc)，并以“APFC单管(60W)”作为PCB文件名保存。 预先创建空白PCB文件的目的是为了在编辑原理图过程中，方便元件封装图的复制操 作。 (5) 执行“File”菜单下的“Open Project”命令，打开用户集成库文件包(LibPkg)。 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 至此，基本上建立了原理图编辑环境，项目管理器内文件结构如图9.1.1所示。 图9.1.1 为方便原理图编辑创建的设计环境 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线

5、路CAD实用教程基于Altium Designer平台 在原理图编辑器状态下，编辑如图9.1.2所示的APFC反激变换器原理图文件。原理图文件编辑方法在第2、4章已介绍过，这里不再赘述。 1 2 3 J2 Z4 15V Uo1 Uo 473 C12 R25 R32 104/630V C1 R7 R16 D3 FR106 R17 U2 PC817B 221 CY3 R8 Fuse L1 4.7mH CX2 0.33uF CX1 0.22uF GND 6 OVP 2 COM 3 CS 4 ZCD 5 INV 1 OUT 7 VCC 8 U1 FAN7930B R13 101 C7 104 C6 R

6、9 R18 R15 VCC V-IN Q2 10A/650V VCC 90265AC R10 1uF C5 D1 1N4148 R33 R31 CY1 222 CY2 222 R12 R29 V-IN 1 2 3 J1 15.00V C13 1uF R27 104 C4 C10 104/CBB R26 C11 1uF R30 1uF/100V C14 Z2 200V R11 VR2 471 VR1 471 R1 R2 R3 R4 R6 R5 Z1 15V 47uF/50V E1 104 C2 Q3 13001-TO-92A 100V-220uF E2 100V-220uF E3 D4 UF54

7、04 BR 18DB05 471/500V C3 R20 R19 R21 Q1 8550R14 1 2 3 5 6 11 10 9 8 T1 PQ2620 D5 UF5404 100V-220uF E4 100V-220uF E5 R22 R35R37 R36 R34 U3 TL431 L N PE L2 1206DC 磁珠 R23 20 图9.1.2 APFC反激变换器原理图 9.1.2 原理图的编译与检查 检查原理图文件中元件连接关系是否正确，是否存在序号重复元件，以及每一元件对应的封装图是否存在、是否正确。 1. 原理图的编译 有些错误，如元件序号重复问题可通过执行“Project”(项

8、目)菜单下的“Compile Document xxxx.SchDoc”(编译xxxx.SchDoc原理图文件)命令，在“Messages”(信息窗口)观察到。假设在图9.1.2中，存在两个序号为CY2的元件，则编译后将在“Messages”窗口内观察到序号重复的提示信息，同时在原理图上对应元件旁边还给出“波浪线”提示符，如图9.1.3所示。 图9.1.3 有问题元件旁用“波浪线”提示 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 2. 创建网络表 有些错误，如连线问题漏连或多连，编译时不一定能发现，只能靠目视检查，或执行“Desig

9、n”菜单下的“Net list for Project”(适用于含有多张原理图的层次电路)或“Netlist for Document”(当前文件)命令，并选择“Protel”类型，生成网络表文件后，再逐一检查、核对Protel类型网络表文件中每一节点上元件的连接关系。 3. 利用封装图管理器检查 在原理图编辑状态下，执行“Tools”菜单下的“Footprint Manager”(封装管理)命令，在图9.1.5窗口内，逐一检查原理图中每一元件的封装图是否存在，否则返回原理图编辑状态，在元件属性窗口内，添加元件封装模型。 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于A

10、ltium Designer平台图9.1.5 封装图管理器界面 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 9.2 PCB文件准备9.2.1 PCB文件创建 在原理图准备就绪后，就可以准备PCB文件。先骤创建一个新的空白的PCB文件。 9.2.2 PCB板边框设置 本例中的PCB板外形尺寸已确定，各部位尺寸(单位为mm)如图9.2.3所示。图9.2.3 PCB外形尺寸 设置参考点(原点)实用工具绘制PCB板边框设置PCB边框，结果如图9.2.7所示。 9.2.7 由选中对象定义的图纸区外形 第9章 双印制板设计举例 2021-5-1

11、7电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 9.2.3 初步确定PCB工艺 在排版前，先根据原理图复杂度、使用环境、生产成本、性能指标等条件，初步确定PCB板工艺，原因是不同工艺的排版策略、排版质量不同，元件封装方式选择不完全相同。 本例中元件数目不多，连接关系也不复杂，考虑使用双面板，小功率元件以贴片封装为主，采用“单面SMD+THC”混装方式；当元件面布局困难时，再考虑将部分小功率低厚度贴片封装元件，如贴片电阻、电容，以及SOT-23封装三极管、二极管等放置到焊锡面内。 9.3 在原理图中更新PCB文件 单击“Project”按钮，切换到原理图SCH编辑状态，执行“De

12、sign”(设计)菜单下的“Update PCB Document xxx.PcbDoc”命令，将原理图中元件封装信息及其电气连接装入指定的PCB文件中，操作过程如下：(1) 在SCH编辑状态下，执行“Design”(设计)菜单下的“Update PCB Document xxx.PcbDoc”命令，将弹出图9.3.1所示的工程更新信息。 图9.3.1 工程更新信息 (2) 单击图9.3.1中的“Execute Changes”(执行更新)按钮，然后再单击“Only Show Errors”(仅显示错误)按钮，检查有无错误。 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基

13、于Altium Designer平台 关闭后，即可发现原理图中元件封装图已自动装入PCB文件中，如图9.3.3所示。 图9.3.3 原理图文件中元件封装图已装入了PCB文件 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 9.4 元件布局 完成了PCB文件更新操作后，原理图中元件对应的PCB封装图及其连接关系已装入PCB文件中，接下来就可以进行元件布局操作。所谓布局就是将元件PCB封装图从布线区外移到PCB布线区内合适位置，布局操作好坏将直接影响PCB板的设计效果。 1. 设置元件移动步长 将元件封装图移到PCB板布线区前，可先执行“D

14、esign”菜单下的“Board Option”命令，在图7.4.8所示窗口内，将元件移动步长固定为25mil，以保证穿通封装元件焊盘位于格点上，而光标移动步长X、Y固定为5mil(与元件移动步长最好保持整数倍关系)。 2. 安全间距设置 在放置元件操作前，必要时，可借助“Design”菜单下的“Rules”命令，设置元件安 全间距。 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 所谓元件安全间距就是元件间外轮廓线的最小距离，如图9.4.1所示。元件最小间距与元件封装绝缘方式、带电体电位差、贴片(或插件)方式(手工还是自动)有关。 图

15、9.4.1 元件间距图例 元件安全间距设置操作过程如下： (1) 执行“Design”菜单下的“Rules”命令，在图9.4.3所示“设计规则”窗口内，单击“Placement”(放置)标签，并选择“Component Clearance”(元件安全间距)。 图9.4.3 元件安全间距设置 (2) 在图9.4.3所示窗口内，设置元件封装图外轮廓线水平方向、垂直方向最小距离(Altium Designer允许单独设置垂直方向间距)。 3. 元件安全间距检查 设置了元件安全间距后，当元件实际间距小于安全间距时，除了显示为警告色外，还可在“PCB面板”窗口内，以“Rules and Violatio

16、ns”作为浏览对象，在“规则分类”列表窗内，单击“Component Clearance Constraint”，并选中状态列表窗内的“On”，即可观察到图9.4.5所示的违反设计规则详细信息。 图9.4.5 违反设计规则详细列表 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 9.4.2 布局与布线前原理图的解读 在布局、布线前，一定要理解原理图的基本工作原理、用途，原理图由哪些单元电路组成、各单元电路工作电压大小及工作频率高低、哪些节点电压波动最大、哪些节点属于弱信号、每一支路电流大小、哪些元件发热量大、哪些元件怕热，以及成品按什么

17、标准测试。所有这些问题在元件布局、PCB布线操作过程中必须做到心中有数，否则布局、布线操作就显得很盲目，甚至设计出的PCB板无法使用。 1. 大电流回路与开关节点 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 在本设计例中大电流回路、开关节点如图9.4.7粗线所示。 1 2 3 J2 Z4 15V Uo1 Uo 473 C12 R25 R32 104/630V C1 R7 R16 D3 FR106 R17 U2 PC817B 221 CY3 R8 Fuse L1 4.7mH CX2 0.33uF CX1 0.22uF GND 6 OV

18、P 2 COM 3 CS 4 ZCD 5 INV 1 OUT 7 VCC 8 U1 FAN7930B R13 101 C7 104 C6 R9 R18 R15 VCC V-IN Q2 10A/650V VCC 90265AC R10 1uF C5 D1 1N4148 R33 R31 CY1 222 CY2 222 R12 R29 V-IN 1 2 3 J1 15.00V C13 1uF R27 104 C4 C10 104/CBB R26 C11 1uF R30 1uF/100V C14 Z2 200V R11 VR2 471 VR1 471 R1 R2 R3 R4 R6 R5 Z1 15V

19、47uF/50V E1 104 C2 Q3 13001-TO-92A 100V-220uF E2 100V-220uF E3 D4 UF5404 BR 18DB05 471/500V C3 R20 R19 R21 Q1 8550R14 1 2 3 5 6 11 10 9 8 T1 PQ2620 D5 UF5404 100V-220uF E4 100V-220uF E5 R22 R35R37 R36 R34 U3 TL431 L N PE L2 1206DC 磁珠 R23 20 (1) 初级侧高频大电流回路 (2) 初级侧开节点 (3) 开关管电路 (4) 次级侧开关节点 (5) 次级侧高频大电

20、流回路 初级侧 次级侧图9.4.7 大电流回路与开关节点 2. 高发热元件与热敏感元件 例中高发热量元件包括了整流桥BR、高频变压器T1、开关管Q2，以及次级高频整流二极管D4D5、输出滤波电容E2E5；热敏感元件主要有光电耦合器件U2、APFC控制芯片U1、基准电压源U3等。 3. 弱信号线与弱信号电路 在本例中，容易被强信号干扰的弱信号线(图9.4.8中的粗线)及弱信号电路(图9.4.8中带灰色背景的单元电路)包括： 1 2 3 J2 Z4 15V Uo1 Uo 473 C12 R25 R32 104/630V C1 R7 R16 D3 FR106 R17 U2 PC817B 221 CY

21、3 R8 Fuse L1 4.7mH CX2 0.33uF CX1 0.22uF GND 6 OVP 2 COM 3 CS 4 ZCD 5 INV 1 OUT 7 VCC 8 U1 FAN7930B R13 101 C7 104 C6 R9 R18 R15 VCC V-IN Q2 10A/650V VCC 90265AC R10 1uF C5 D1 1N4148 R33 R31 CY1 222 CY2 222 R12 R29 V-IN 1 2 3 J1 15.00V C13 1uF R27 104 C4 C10 104/CBB R26 C11 1uF R30 1uF/100V C14 Z2 2

22、00V R11 VR2 471 VR1 471 R1 R2 R3 R4 R6 R5 Z1 15V 47uF/50V E1 104 C2 Q3 13001-TO-92A 100V-220uF E2 100V-220uF E3 D4 UF5404 BR 18DB05 471/500V C3 R20 R19 R21 Q1 8550R14 1 2 3 5 6 11 10 9 8 T1 PQ2620 D5 UF5404 100V-220uF E4 100V-220uF E5 R22 R35R37 R36 R34 U3 TL431 L N PE L2 1206DC 磁珠 R23 20 (1) (2) (3

23、) (4)图9.4.8弱信号线与弱信号电路 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 4. 安全间距 由于初级侧电压差大，必须注意初级侧元件及导电图形的安全间距，初级-次级绝对等级高，两者间距必须保持6.0mm以上。 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 9.4.3 元件分类 为便于元件管理与手工布局操作，可在“PCB面板”窗口内，以“Components”作为浏览对象。 在缺省状态下，PCB编辑器自动建立了“All Components”(全部元件)、“Bott

24、om Side Components”(底层，即焊锡面内元件)、“Inside Board Components”(布线区内元件)、“Outside Board Components”(布线区外的元件) 、“Top Side Components”(顶层，即元件面内元件)以及原理图对应的元件。 必要时，操作者可双击其中的某类元件(或执行“Design”菜单下的“Classes”命令)进入图9.4.10所示的“对象分类管理器”窗口内。 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台图9.4.10 对象分类管理器 将鼠标移到某一分类对象，如

25、“All Components”上，单击右键，调出对象分类操作常用命令，选择其中的“Add Class”即可创建新的元件类别，然后再逐一将指定元件添加到新创建的元件类型中即可。 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 9.4.4 元件手工布局 尽管电子CAD类软件都提供了所谓“自动布局”功能，Altium Designer也不例外，理论上，操作者可以借助“Tools”菜单下的“Component PlacementAuto Placer”命令完成元件的布局操作。 但无论软件提供的“自动布局”功能如何完善，“自动布局”算法如何科学

26、，也解决不了各类PCB设计过程中元件布局遇到的所有问题。实际上，一块元件布局合理、电磁兼容性能好、热稳定性高、工作可靠、便于批量生产的印制电路板并不能采用CAD软件中的自动布局功能，只能借助手工布局方式完成元件的布局。 1. 预布局 (2) 对照原理图，按信号流向、电位剃度由左到右大致确定不同单元电路在PCB板上的位置，如图9.4.13所示。 图9.4.13 按信号流向大致确定单元电路在PCB上的位置 (1) 先放置对位置有特殊要求的元件。 (3) 热敏感元件尽量远离发热元件。 (4) 发热量大的元件，彼此之间不要靠得太近，避免通过热辐射效应相互加热。 (5) 为减小贴片、插件工艺的错误，板上

27、或彼此相邻的同类型极性元件方向尽可能一致，如图9.4.13中的输出滤波电容E2E5的极性尽可能相同。 (6) 在双面或多层板中，如果少量小尺寸贴片元件无法放在元件面内，也可以考虑将其在Bottom Layer(焊锡)面内。 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 2. 细调元件位置 如果布局后，拟采用“自动布线+手工修改”方式完成布线操作，则在完成了元件大致布局后，需要进一步细调元件位置。反之，在完成元件大致布局后，依靠手工布线操作时，则不需要精确调整元件位置，原因是可在手工连线操作过程中一边连线一边调整元件位置。 9.5 PC

28、B板3D模型显示 在完成了元件布局操作后，可执行“View”菜单下的“Switch To 3D”命令，进入3D显示状态，以便确认大尺寸元件间距、高度是否合理，操作过程如下： 1. 添加缺省的3D模型 如果PCB上大尺寸元件PCB封装图没有3D模型时，可先执行“Tools”菜单下的“Manage 3D Bodies for Components On Board”(管理PCB板上元件3D模型)命令给PCB板上的元件添加简易3D模型，如图9.5.1所 示。 图9.5.1管理PCB板上元件3D模型 在图9.5.1所示元件列表窗口内，逐一找出并单击需要填加3D模型的元件，如图9.5.1中的BR，并在“

29、Interactive”窗口下，选择3D模型形状、高度、所在层、颜色等即可。当然，如果PCB板上的元件封装图已存在3D模型，可无须指定。也没有必要对所有元件，尤其是空间高度很小的贴片元件指定3D模型。 2. 进入3D显示状态 给一个或多个元件增加了3D简易模型后，即可执行“View”菜单下的“Switch To 3D”命令，进入3D显示状态，观察3D显示效果，如图9.5.2所示。 图9.5.2 部分大尺寸元件3D显示效果 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 9.6布线操作 所谓布线操作是指通过手工或自动方式，用印制导线完成原

30、理图中元器件的连接关系。布线是印制板设计过程中关键环节之一，并非“连通”了就万事大吉，不良的布线可能会降低电路系统抗干扰性能指标，甚至不能工作。 9.6.1 设置布线规则 在布线前，尤其是自动布线操作前，必须根据电路特征(如工作电压、电流容量、最高工作频率、可靠性指标、安规标准等)，执行“Design”菜单下的“Rules”命令，检查并修改有关布线规则，如走线宽度、导线与导线之间以及导线与焊盘之间的最小距离、平行走线最大长度、走线方向、敷铜区与焊盘连接方式等是否满足要求(未设置时将采用缺省参数布线，但设计规则内的缺省参数难以满足各式各样印制电路板的布线要求),否则布线效果会很差。 图9.6.1

31、 设计规则 9.6.2 手工布线 手工布线是PCB设计过程中最基本、最有效的布线方式。实践表明：一块布线质量优良、工作可靠、易于加工、成品率高的PCB板往往依靠全手工或自动与手工相结合的布线方式实现PCB板的连线操作，毕竟慢工出细活。在高频、微波、开关电源等电路中甚至只能用手工布线方式完成元器件间的互连，尽管许多主流PCB设计软件均提供了自动布线功能，但无论其布通率有多高、功能有多完善，都不可能完全满足特定PCB板的电磁兼容性要求。 本例手工布线结果如图9.6.23所示，在布线过程中已充分考虑了关键回路、节点布线要求。在双面板中，一般仅需考虑电源线布线，而地线一般用大面积敷铜区连接，以便形成相

32、对完整的地平面或局部地平面(在AC-DC变换器中，由于受最小爬电距离、串扰限制，一般多采用局部地平面方式)。 图9.6.23 本例手工布线效果图 第9章 双印制板设计举例 2021-5-17电子线路CAD实用教程基于Altium Designer平台 9.6.3 自动布线 完成了自动布线前的预处理后，就可以执行“Auto Route”菜单下的相应命令，启动自动布线进程。 9.6.4 布线后处理1. 调整丝印制字符 2. 焊盘、过孔泪滴化处理 3. 根据PCB尺寸确定是否需要拼版或增加工艺边 4. 调整PCB板上穿通封装元件个别焊盘中心位置 一般情况下，焊盘中心与焊盘孔中心重合，在连线时可能会遇到安全间距与焊盘附着力要求相矛盾问题：为增加安全间距，可能被迫减小焊盘直径，但这会降低焊盘附着力，影响可靠性。为此，在Altium Designer PCB编辑器中可修改焊盘中心位置，使焊盘中心偏离焊盘孔中心，以增加焊盘与另一相邻导电图形的安全间距，如图9.6.31所示。 图9.6.31 焊盘偏心设置 5. 检测是否违反设计规则