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高速PCB設計指南之六：PowerPCB在PCB設計中的應用技術

2015/03/13

Levi

9862

印制電路板（PCB）是電子產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。隨著電子技術的飛速發展，PCB的密度越來越高。PCB設計的好壞對抗干擾能力影響很大。實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會對電子產品的可靠性產生不利影響。例如，如果印制板兩條細平行線靠得很近，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，在設計印制電路板的時候，應注意采用正確的方法，遵守PCB設計的一般原則，并應符合抗干擾設計的要求。

一、 PCB設計的一般原則
要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布局及導線的布設是很重要的。為了設計質量好、造價低的PCB，應遵循以下的一般性原則：

1.布線
布線的原則如下：
（1）輸入輸出端用的導線應盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發生反饋藕合。
（2）印制板導線的最小寬度主要由導線與絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。當銅箔厚度為0.5mm、寬度為1～15mm時，通過2A的電流，溫度不會高于3℃。因此，導線寬度為1.5mm可滿足要求。對于集成電路，尤其是數字電路，通常選0.02～0.3mm導線寬度。當然，只要允許，還是盡可能用寬線，尤其是電源線和地線。導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，尤其是數字電路，只要工藝允許，可使間距小于5～8mil。
（3）印制導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，易發生銅箔膨脹和脫落現象。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生的揮發性氣體。

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，根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。
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，設法減少它們的分布參數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，輸入和輸出元件應盡量遠離。
（2）某些元器件或導線之間可能有較高的電位差，應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盡量布置在調試時手不易觸及的地方。
（3）重量超過15g的元器件，應當用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題。熱敏元件應遠離發熱元件。
（4）對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元件的布局應考慮整機的結構要求。若是機內調節，應放在印制板上方便調節的地方；若是機外調節，其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。
（5）應留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。

根據電路的功能單元。對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：
（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，圍繞它來進行布局。元器件應均勻、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。一般電路應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。
（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，應考慮電路板所受的機械強度。

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計與具體電路有著密切的關系，這里僅就PCB抗干擾設計的幾項常用措施做一些說明。

1.電源線設計
根據印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻。同時，使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。

2.地線設計
在電子產品設計中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合起來使用，可解決大部分干擾問題。電子產品中地線結構大致有系統地、機殼地（屏蔽地）、數字地（邏輯地）和模擬地等。在地線設計中應注意以下幾點：
（1）正確選擇單點接地與多點接地
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流對干擾影響較大，因而應采用一點接地的方式。當信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應盡量降低地線阻抗，應采用就近多點接地。當工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應超過波長的1/20，否則應采用多點接地法。
（2）數字地與模擬地分開。
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。低頻電路的地應盡量采用單點并聯接地，實際布線有困難時可部分串聯后再并聯接地。高頻電路宜采用多點串聯接地，地線應短而粗，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）接地線構成閉環路。
設計只由數字電路組成的印制電路板的地線系統時，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，因受接地線粗細的限制，會在地線上產生較大的電位差，引起抗噪能力下降，若將接地線構成環路，則會縮小電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。

（4）接地線應盡量加粗。
若接地線用很細的線條，則接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子產品的定時信號電平不穩，抗噪聲性能降低。因此應將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應大于3mm。

3.退藕電容配置
PCB設計的常規做法之一是在印制板的各個關鍵部位配置適當的退藕電容。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、關斷時電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，應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，還應注意以下兩點：
（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，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公司軟件產品。
PowerPCB能夠使用戶完成高質量的設計，生動地體現了電子設計工業界各方面的內容。其約束驅動的設計方法可以減少產品完成時間。你可以對每一個信號定義安全間距、布線規則以及高速電路的設計規則，并將這些規劃層次化的應用到板上、每一層上、每一類網絡上、每一個網絡上、每一組網絡上、每一個管腳對上，以確保布局布線設計的正確性。它包括了豐富多樣的功能，包括簇布局工具、動態布線編輯、動態電性能檢查、自動尺寸標注和強大的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，它的基本使用技術已有培訓教材進行了詳細的講解，而對于我所廣大電子應用工程師來說，其問題在于已經熟練掌握了TANGO之類的布線工具之后，如何轉到PowerPCB的應用上來。所以，本文就此類應用和培訓教材上沒有講到，而我們應用較多的一些技術技巧作了論述。
1.輸入的規范問題
對于大多數使用過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。因為PowerPCB對原理圖輸入和原理圖到PCB的規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將一根電氣連線斷開的功能，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。這是它防止錯誤發生的一種手段，其實，也是我們應該遵守的一種規范化的原理圖輸入方式。
在PowerPCB設計中，凡是與原理圖網表不一致的改動都要到ECO方式下進行，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，又給真正需要進行修改提供了方便。但是，要注意的是，進入ECO方式時要選擇“寫ECO文件”選項，而只有退出ECO方式，才會進行寫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。它的主要優點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。
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布線之后，要自動布線時，最好將預布好的線固定住，否則自動布線時，軟件會認為此線段可移動，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，不選中“ECO注冊”項。這樣在檢查時，PowerPCB不會認為這個器件是需要與網表比較的，不會出現不該有的錯誤。
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準不太一致，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，否則它不會認為你建的符號是電源。
所以當我們要建一個符合國標的電源符號時，需要先打開現有的電源符號組，選擇“編輯電氣連接”按鈕，點按“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，保存。這個新的符號就可以在原理圖中調出了。
6.空腳的設置
我們用的器件中，有的管腳本身就是空腳，標志為NC。當我們建庫的時候，就要注意，否則標志為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，當自己建三極管的庫時，我們往往會發現原理圖的網表傳到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來標志，所以在創建自己的三極管庫時，要在“編輯電氣連接”窗口中選中“包括文字數字管腳”復選框，這時，“文字數字管腳”標簽被點亮，進入該標簽，將三極管的相應管腳改為字母。這樣，與PCB封裝對應連線時會感到比較便于識別。
8.表面貼器件的預處理
現在，由于小型化的需求，表面貼器件得到越來越多的應用。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。因為，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，我們應該首先對表面貼器件進行扇入，扇出操作，然后再進行布線，這是因為如果我們只是在自動布線的設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行這項操作，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，先進入自動布線器，在設置文件中只選擇扇入，扇出操作，不選擇其它布線選項，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構圖中，這時可以通過轉換工具將PCB文件轉換成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，在彈出的文件輸出窗口中將保存類型設為DXF文件，再保存。你就可以AUTOCAD中打開個這圖了。
當然，PADS中有自動標注功能，可以對畫好的印制板進行尺寸標注，自動顯示出板框或定位孔的位置。要注意的是，標注結果在Drill-Drawing層要想在其它的輸出圖上加上標注，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，可以產生PowerPCB的表，而PowerPCB讀入網表后，一樣可以進行自動布線等功能，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，會造成網表傳輸錯誤。要避免這種錯誤的發生，最好專門建一個存放ViewDraw與PowerPCB對應器件的庫，當然這只是針對于一部分不匹配的器件來說的。可以用PowerPCB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的說明文件。現在，我們用PowerPCB直接生產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，轉走線時要將LINE,TEXT去掉（除非你要在線路上做銅字）。
C．轉阻焊時，將文檔類型選為SOLD_MASK，在頂層阻焊中要將過孔選中。
D．轉絲印時，將文檔類型選為SILK SCREEN，其余參照步驟B和C。
E．轉鉆孔數據時，將文檔類型選為NC DRILL，直接轉換。
注意，轉光繪文件時要先預覽一下，預覽中的圖形就是你要的光繪輸出的圖形，所以要看仔細，以防出錯。
有了對印制板設計的經驗，如PowerPCB的強大功能，畫復雜印制板已不是令人煩心的事情了。值得高興的是，我們現在已經有了將TANGO的PCB轉換成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。