《電子線路CAD教程-基于Altium Designer平臺(tái)》課件第9章 雙印制板設(shè)計(jì)舉例

2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)第9章雙印制板設(shè)計(jì)舉例9.1原理圖及PCB文件的準(zhǔn)備9.2PCB文件準(zhǔn)備9.3在原理圖中更新PCB文件9.4元件布局9.5PCB板3D模型顯示9.6布線操作

第6～第8章分別介紹了印制板設(shè)計(jì)基本概念與知識(shí)，以及AltiumDesigner內(nèi)嵌PCB編輯器的基本操作方法、PCB庫元件概念及維護(hù)。本章將以圖9.1.2所示60WAPFC反激器PCB設(shè)計(jì)為例，逐一介紹雙面PCB板的編輯過程及注意事項(xiàng)。2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)9.1原理圖及PCB文件的準(zhǔn)備

原理圖編輯是印制板設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。對(duì)于同一電路系統(tǒng)來說，原理圖中元器件電氣連接與印制板中元器件連接關(guān)系完全相同，只是原理圖中的元器件用“電氣圖形符號(hào)”表示，而印制板中的元器件用元件“封裝圖”描述；原理圖中元器件連接關(guān)系采用具有電氣屬性的“導(dǎo)線”、“總線”、“總線分支”、“I/O端口”、“網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)”等示意性圖形表示，而在印制板中元器件連接關(guān)系用具有一定寬度的印制導(dǎo)線(銅線)、矩形填充區(qū)、實(shí)心多邊形填充區(qū)、覆銅區(qū)等圖件連接。2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)9.1.1設(shè)計(jì)環(huán)境創(chuàng)建與原理圖準(zhǔn)備

在編輯PCB文件(.PcbDoc)前，可按下列步驟創(chuàng)建項(xiàng)目文件及相關(guān)設(shè)計(jì)文件。

(1)執(zhí)行“File”菜單下的“New\Project\PCBProject”命令，創(chuàng)建PCB類型項(xiàng)目文件(.PrjDoc)，并以“APFC反激(60W)”作為項(xiàng)目文件名保存。

(2)執(zhí)行“File”菜單下的“New\Schematic”命令，創(chuàng)建原理圖文件(.SchDoc)，并以“APFC單管(60W)”作為原理圖文件名保存。

(3)在“元件庫”面板內(nèi)，分別裝入用戶元件庫文件(包括元件電氣圖形符號(hào)庫文件、PCB封裝圖庫文件)。為提高軟件運(yùn)行速度，強(qiáng)烈建議裝入用戶元件庫文件。

(4)執(zhí)行“File”菜單下的“New\PCB”命令，創(chuàng)建PCB文件(.PcbDoc)，并以“APFC單管(60W)”作為PCB文件名保存。預(yù)先創(chuàng)建空白PCB文件的目的是為了在編輯原理圖過程中，方便元件封裝圖的復(fù)制操作。

(5)執(zhí)行“File”菜單下的“OpenProject…”命令，打開用戶集成庫文件包(LibPkg)。2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)至此，基本上建立了原理圖編輯環(huán)境，項(xiàng)目管理器內(nèi)文件結(jié)構(gòu)如圖9.1.1所示。圖9.1.1為方便原理圖編輯創(chuàng)建的設(shè)計(jì)環(huán)境2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)

在原理圖編輯器狀態(tài)下，編輯如圖9.1.2所示的APFC反激變換器原理圖文件。原理圖文件編輯方法在第2、4章已介紹過，這里不再贅述。圖9.1.2APFC反激變換器原理圖

9.1.2原理圖的編譯與檢查

檢查原理圖文件中元件連接關(guān)系是否正確，是否存在序號(hào)重復(fù)元件，以及每一元件對(duì)應(yīng)的封裝圖是否存在、是否正確。1.原理圖的編譯

有些錯(cuò)誤，如元件序號(hào)重復(fù)問題可通過執(zhí)行“Project”(項(xiàng)目)菜單下的“CompileDocumentxxxx.SchDoc”(編譯xxxx.SchDoc原理圖文件)命令，在“Messages”(信息窗口)觀察到。假設(shè)在圖9.1.2中，存在兩個(gè)序號(hào)為CY2的元件，則編譯后將在“Messages”窗口內(nèi)觀察到序號(hào)重復(fù)的提示信息，同時(shí)在原理圖上對(duì)應(yīng)元件旁邊還給出“波浪線”提示符，如圖9.1.3所示。圖9.1.3有問題元件旁用“波浪線”提示

2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)2.創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表

有些錯(cuò)誤，如連線問題——漏連或多連，編譯時(shí)不一定能發(fā)現(xiàn)，只能靠目視檢查，或執(zhí)行“Design”菜單下的“NetlistforProject”(適用于含有多張?jiān)韴D的層次電路)或“NetlistforDocument”(當(dāng)前文件)命令，并選擇“Protel”類型，生成網(wǎng)絡(luò)表文件后，再逐一檢查、核對(duì)Protel類型網(wǎng)絡(luò)表文件中每一節(jié)點(diǎn)上元件的連接關(guān)系。3.利用封裝圖管理器檢查

在原理圖編輯狀態(tài)下，執(zhí)行“Tools”菜單下的“FootprintManager…”(封裝管理)命令，在圖9.1.5窗口內(nèi)，逐一檢查原理圖中每一元件的封裝圖是否存在，否則返回原理圖編輯狀態(tài)，在元件屬性窗口內(nèi)，添加元件封裝模型。2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)圖9.1.5封裝圖管理器界面

2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)9.2PCB文件準(zhǔn)備9.2.1PCB文件創(chuàng)建

在原理圖準(zhǔn)備就緒后，就可以準(zhǔn)備PCB文件。先驟創(chuàng)建一個(gè)新的空白的PCB文件。9.2.2PCB板邊框設(shè)置

本例中的PCB板外形尺寸已確定，各部位尺寸(單位為mm)如圖9.2.3所示。圖9.2.3PCB外形尺寸

設(shè)置參考點(diǎn)(原點(diǎn))→實(shí)用工具繪制PCB板邊框→設(shè)置PCB邊框，結(jié)果如圖9.2.7所示。9.2.7由選中對(duì)象定義的圖紙區(qū)外形

2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)9.2.3初步確定PCB工藝

在排版前，先根據(jù)原理圖復(fù)雜度、使用環(huán)境、生產(chǎn)成本、性能指標(biāo)等條件，初步確定PCB板工藝，原因是不同工藝的排版策略、排版質(zhì)量不同，元件封裝方式選擇不完全相同。

本例中元件數(shù)目不多，連接關(guān)系也不復(fù)雜，考慮使用雙面板，小功率元件以貼片封裝為主，采用“單面SMD+THC”混裝方式；當(dāng)元件面布局困難時(shí)，再考慮將部分小功率低厚度貼片封裝元件，如貼片電阻、電容，以及SOT-23封裝三極管、二極管等放置到焊錫面內(nèi)。9.3在原理圖中更新PCB文件

單擊“Project”按鈕，切換到原理圖SCH編輯狀態(tài)，執(zhí)行“Design”(設(shè)計(jì))菜單下的“UpdatePCBDocumentxxx.PcbDoc”命令，將原理圖中元件封裝信息及其電氣連接裝入指定的PCB文件中，操作過程如下：(1)在SCH編輯狀態(tài)下，執(zhí)行“Design”(設(shè)計(jì))菜單下的“UpdatePCBDocumentxxx.PcbDoc”命令，將彈出圖9.3.1所示的工程更新信息。圖9.3.1工程更新信息

(2)單擊圖9.3.1中的“ExecuteChanges”(執(zhí)行更新)按鈕，然后再單擊“OnlyShowErrors”(僅顯示錯(cuò)誤)按鈕，檢查有無錯(cuò)誤。2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)關(guān)閉后，即可發(fā)現(xiàn)原理圖中元件封裝圖已自動(dòng)裝入PCB文件中，如圖9.3.3所示。圖9.3.3原理圖文件中元件封裝圖已裝入了PCB文件

2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)9.4元件布局

完成了PCB文件更新操作后，原理圖中元件對(duì)應(yīng)的PCB封裝圖及其連接關(guān)系已裝入PCB文件中，接下來就可以進(jìn)行元件布局操作。所謂布局就是將元件PCB封裝圖從布線區(qū)外移到PCB布線區(qū)內(nèi)合適位置，布局操作好壞將直接影響PCB板的設(shè)計(jì)效果。1.設(shè)置元件移動(dòng)步長將元件封裝圖移到PCB板布線區(qū)前，可先執(zhí)行“Design”菜單下的“BoardOption…”命令，在圖7.4.8所示窗口內(nèi)，將元件移動(dòng)步長固定為25mil，以保證穿通封裝元件焊盤位于格點(diǎn)上，而光標(biāo)移動(dòng)步長X、Y固定為5mil(與元件移動(dòng)步長最好保持整數(shù)倍關(guān)系)。2.安全間距設(shè)置在放置元件操作前，必要時(shí)，可借助“Design”菜單下的“Rules…”命令，設(shè)置元件安全間距。2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)

所謂元件安全間距就是元件間外輪廓線的最小距離，如圖9.4.1所示。元件最小間距與元件封裝絕緣方式、帶電體電位差、貼片(或插件)方式(手工還是自動(dòng))有關(guān)。圖9.4.1元件間距圖例

元件安全間距設(shè)置操作過程如下：(1)執(zhí)行“Design”菜單下的“Rules…”命令，在圖9.4.3所示“設(shè)計(jì)規(guī)則”窗口內(nèi)，單擊“Placement”(放置)標(biāo)簽，并選擇“ComponentClearance”(元件安全間距)。圖9.4.3元件安全間距設(shè)置

(2)在圖9.4.3所示窗口內(nèi)，設(shè)置元件封裝圖外輪廓線水平方向、垂直方向最小距離(AltiumDesigner允許單獨(dú)設(shè)置垂直方向間距)。3.元件安全間距檢查

設(shè)置了元件安全間距后，當(dāng)元件實(shí)際間距小于安全間距時(shí)，除了顯示為警告色外，還可在“PCB面板”窗口內(nèi)，以“RulesandViolations”作為瀏覽對(duì)象，在“規(guī)則分類”列表窗內(nèi)，單擊“ComponentClearanceConstraint”，并選中狀態(tài)列表窗內(nèi)的“On”，即可觀察到圖9.4.5所示的違反設(shè)計(jì)規(guī)則詳細(xì)信息。圖9.4.5違反設(shè)計(jì)規(guī)則詳細(xì)列表

2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)9.4.2布局與布線前原理圖的解讀

在布局、布線前，一定要理解原理圖的基本工作原理、用途，原理圖由哪些單元電路組成、各單元電路工作電壓大小及工作頻率高低、哪些節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)最大、哪些節(jié)點(diǎn)屬于弱信號(hào)、每一支路電流大小、哪些元件發(fā)熱量大、哪些元件怕熱，以及成品按什么標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。所有這些問題在元件布局、PCB布線操作過程中必須做到心中有數(shù)，否則布局、布線操作就顯得很盲目，甚至設(shè)計(jì)出的PCB板無法使用。1.大電流回路與開關(guān)節(jié)點(diǎn)2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)在本設(shè)計(jì)例中大電流回路、開關(guān)節(jié)點(diǎn)如圖9.4.7粗線所示。圖9.4.7大電流回路與開關(guān)節(jié)點(diǎn)

2.高發(fā)熱元件與熱敏感元件

例中高發(fā)熱量元件包括了整流橋BR、高頻變壓器T1、開關(guān)管Q2，以及次級(jí)高頻整流二極管D4～D5、輸出濾波電容E2～E5；熱敏感元件主要有光電耦合器件U2、APFC控制芯片U1、基準(zhǔn)電壓源U3等。3.弱信號(hào)線與弱信號(hào)電路在本例中，容易被強(qiáng)信號(hào)干擾的弱信號(hào)線(圖9.4.8中的粗線)及弱信號(hào)電路(圖9.4.8中帶灰色背景的單元電路)包括：圖9.4.8弱信號(hào)線與弱信號(hào)電路

2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)4.安全間距

由于初級(jí)側(cè)電壓差大，必須注意初級(jí)側(cè)元件及導(dǎo)電圖形的安全間距，初級(jí)-次級(jí)絕對(duì)等級(jí)高，兩者間距必須保持6.0mm以上。2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)9.4.3元件分類

為便于元件管理與手工布局操作，可在“PCB面板”窗口內(nèi)，以“Components”作為瀏覽對(duì)象。

在缺省狀態(tài)下，PCB編輯器自動(dòng)建立了“AllComponents”(全部元件)、“BottomSideComponents”(底層，即焊錫面內(nèi)元件)、“InsideBoardComponents”(布線區(qū)內(nèi)元件)、“OutsideBoardComponents”(布線區(qū)外的元件)、“TopSideComponents”(頂層，即元件面內(nèi)元件)以及原理圖對(duì)應(yīng)的元件。

必要時(shí)，操作者可雙擊其中的某類元件(或執(zhí)行“Design”菜單下的“Classes…”命令)進(jìn)入圖9.4.10所示的“對(duì)象分類管理器”窗口內(nèi)。2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)圖9.4.10對(duì)象分類管理器

將鼠標(biāo)移到某一分類對(duì)象，如“AllComponents”上，單擊右鍵，調(diào)出對(duì)象分類操作常用命令，選擇其中的“AddClass”即可創(chuàng)建新的元件類別，然后再逐一將指定元件添加到新創(chuàng)建的元件類型中即可。2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)9.4.4元件手工布局

盡管電子CAD類軟件都提供了所謂“自動(dòng)布局”功能，AltiumDesigner也不例外，理論上，操作者可以借助“Tools”菜單下的“ComponentPlacement\AutoPlacer”命令完成元件的布局操作。但無論軟件提供的“自動(dòng)布局”功能如何完善，“自動(dòng)布局”算法如何科學(xué)，也解決不了各類PCB設(shè)計(jì)過程中元件布局遇到的所有問題。實(shí)際上，一塊元件布局合理、電磁兼容性能好、熱穩(wěn)定性高、工作可靠、便于批量生產(chǎn)的印制電路板并不能采用CAD軟件中的自動(dòng)布局功能，只能借助手工布局方式完成元件的布局。1.預(yù)布局(2)對(duì)照原理圖，按信號(hào)流向、電位剃度由左到右大致確定不同單元電路在PCB板上的位置，如圖9.4.13所示。圖9.4.13按信號(hào)流向大致確定單元電路在PCB上的位置

(1)先放置對(duì)位置有特殊要求的元件。(3)熱敏感元件盡量遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。(4)發(fā)熱量大的元件，彼此之間不要靠得太近，避免通過熱輻射效應(yīng)相互加熱。(5)為減小貼片、插件工藝的錯(cuò)誤，板上或彼此相鄰的同類型極性元件方向盡可能一致，如圖9.4.13中的輸出濾波電容E2～E5的極性盡可能相同。(6)在雙面或多層板中，如果少量小尺寸貼片元件無法放在元件面內(nèi)，也可以考慮將其在BottomLayer(焊錫)面內(nèi)。2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)2.細(xì)調(diào)元件位置

如果布局后，擬采用“自動(dòng)布線+手工修改”方式完成布線操作，則在完成了元件大致布局后，需要進(jìn)一步細(xì)調(diào)元件位置。反之，在完成元件大致布局后，依靠手工布線操作時(shí)，則不需要精確調(diào)整元件位置，原因是可在手工連線操作過程中一邊連線一邊調(diào)整元件位置。9.5PCB板3D模型顯示

在完成了元件布局操作后，可執(zhí)行“View”菜單下的“SwitchTo3D”命令，進(jìn)入3D顯示狀態(tài)，以便確認(rèn)大尺寸元件間距、高度是否合理，操作過程如下：1.添加缺省的3D模型

如果PCB上大尺寸元件PCB封裝圖沒有3D模型時(shí)，可先執(zhí)行“Tools”菜單下的“Manage3DBodiesforComponentsOnBoard…”(管理PCB板上元件3D模型)命令給PCB板上的元件添加簡易3D模型，如圖9.5.1所示。圖9.5.1管理PCB板上元件3D模型

在圖9.5.1所示元件列表窗口內(nèi)，逐一找出并單擊需要填加3D模型的元件，如圖9.5.1中的BR，并在“Interactive”窗口下，選擇3D模型形狀、高度、所在層、顏色等即可。當(dāng)然，如果PCB板上的元件封裝圖已存在3D模型，可無須指定。也沒有必要對(duì)所有元件，尤其是空間高度很小的貼片元件指定3D模型。2.進(jìn)入3D顯示狀態(tài)

給一個(gè)或多個(gè)元件增加了3D簡易模型后，即可執(zhí)行“View”菜單下的“SwitchTo3D”命令，進(jìn)入3D顯示狀態(tài)，觀察3D顯示效果，如圖9.5.2所示。圖9.5.2部分大尺寸元件3D顯示效果

2025/1/7電子線路CAD實(shí)用教程——基于AltiumDesigner平臺(tái)9.6布線操作

所謂布線操作是指通過手工或自動(dòng)方式，用印制導(dǎo)線完成原理圖中元器件的連接關(guān)系。布線是印制板設(shè)計(jì)過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，并非“連通”了就萬事大吉，不良的布線可能會(huì)降低電路系統(tǒng)抗干擾性能指標(biāo)，甚至不能工作。9.6.1設(shè)置布線規(guī)則

在布線前，尤其是自動(dòng)布線操作前，必須根據(jù)電路特征(如工作電壓、電流容量、最高工作頻率、可靠性指標(biāo)、安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等)，執(zhí)行“Design”菜單下的“Rules…”命令，檢查并修改有關(guān)布線規(guī)則，如走線寬度、導(dǎo)線與導(dǎo)線之間以及導(dǎo)線與焊盤之間的最小距離、平行走線最大長度、走線方向、敷銅區(qū)與焊盤連接方式等是否滿足要求(未設(shè)置時(shí)將采用缺省參數(shù)布線，但設(shè)計(jì)規(guī)則內(nèi)的缺省參數(shù)難以滿足各式各樣印制電路板的布線要求),否則布線