通用文档protel电子电路设计doc.docx
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通用文档protel电子电路设计doc
模块名称
ProtelDXP电子电路设计
模块级别
高级
模块简介
通过本阶段的学习，使学生熟练掌握PROTEL工具软件的使用和原理图、印刷板图的设计与制作并掌握SMT系统的操作技术。
模块目标
1、熟练掌握原理图绘制输出方法；
2、掌握调用和建立库元件的方法；
3、掌握模块化原理图设计方法；
4、掌握复杂的PCB设计方法；
5、掌握PCB设计中的规则和技巧。
实训内容
1、原理图绘制技术；
2、原理图编辑技巧；
3、电路原理图后期处理；
4、复杂PCB图的编辑设计；
5、网表转换与自动布局；
6、混合布线及其规则设计。
评价标准
1、是否能够熟练掌握原理图绘制输出方法
2、是否能够掌握调用和建立库元件的方法
3、是否能够掌握模块化原理图设计方法
4、是否能够掌握复杂的PCB设计方法；
5、是否对测试过程中的其它相关知识具有一定的掌握或了解
6、掌握PCB设计中的规则和技巧
7、是否能够掌握混合布线及其规则设计
评价方法
1、培训对象按照要求，用ProtelDXP软件熟练绘制原理图、原理图库文件、PCB、以及PCB库文件。
2、培训对象按照要求，在PCB高级设计中能完成电气规则设计，以及合理布局布线。
实验指导与典型电子教案
印刷电路板（PCB）设计实训
一、实训目的
1、学习PCB设计基础知识。
2、学习掌握高速PCB设计方法。
3、学习掌握PCB的加工、制作方法。
二、实训理论基础
电子技术基础、元件工艺基础、电路CAD、PCB设计相关理论知识
三、实训内容
四、实训考核办法
实训成绩考核内容有实训表现与态度（20%）、实训操作过程和实训内容掌握程度（50%）、实训报告的内容与文字表达（30%）组成，成绩分为优、良、中、及格、不及格五等，具体实训成绩评定标准参见附件。
五、实训报告格式
格式必须包括实训目的、实训准备、实训要求、实训内容、实施方案、实训结果、实训心得等。
实训报告统一用实训报告纸书写，具体实训报告样表参见实训报告纸。
六、参考资料
《印刷电路板（PCB）设计与制作》，曾峰，电子工业出版社
一、PCB设计基本概念
1、“层（Layer）”的概念
与字处理或其它许多软件中为实现图、文、色彩等的嵌套与合成而引入的“层”的概念有所不同，Protel的“层”不是虚拟的，而是印刷板材料本身实实在在的各铜箔层。
现今，由于电子线路的元件密集安装。
防干扰和布线等特殊要求，一些较新的电子产品中所用的印刷板不仅有上下两面供走线，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔，例如，现在的计算机主板所用的印板材料多在4层以上。
这些层因加工相对较难而大多用于设置走线较为简单的电源布线层（如软件中的GroundDever和PowerDever），并常用大面积填充的办法来布线（如软件中的ExternaIP1a11e和Fill）。
上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方用软件中提到的所谓“过孔（Via）”来沟通。
有了以上解释，就不难理解“多层焊盘”和“布线层设置”的有关概念了。
举个简单的例子，不少人布线完成，到打印出来时方才发现很多连线的终端都没有焊盘，其实这是自己添加器件库时忽略了“层”的概念，没把自己绘制封装的焊盘特性定义为“多层”（Mulii一Layer）的缘故。
要提醒的是，一旦选定了所用印板的层数，务必关闭那些未被使用的层，免得惹事生非走弯路。
2、过孔（Via）
为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的文汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。
工艺上在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，也可不连。
一般而言，设计线路时对过孔的处理有以下原则：
（1）尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙，如果是自动布线，可在“过孔数量最小化”（ViaMinimiz8tion）子菜单里选择“on”项来自动解决。
（2）需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。
3、丝印层（Overlay）
为方便电路的安装和维修等，在印刷板的上下两表面印刷上所需要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等等。
不少初学者设计丝印层的有关内容时，只注意文字符号放置得整齐美观，忽略了实际制出的PCB效果。
他们设计的印板上，字符不是被元件挡住就是侵入了助焊区域被抹赊，还有的把元件标号打在相邻元件上，如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大不便。
正确的丝印层字符布置原则是：
“不出歧义，见缝插针，美观大方”。
4、SMD的特殊性
Protel封装库内有大量SMD封装，即表面焊装器件。
这类器件除体积小巧之外的最大特点是单面分布元引脚孔。
因此，选用这类器件要定义好器件所在面，以免“丢失引脚（MissingPlns）”。
另外，这类元件的有关文字标注只能随元件所在面放置。
5、网格状填充区（ExternalPlane）和填充区（Fill）
正如两者的名字那样，网络状填充区是把大面积的铜箔处理成网状的，填充区仅是完整保留铜箔。
初学者设计过程中在计算机上往往看不到二者的区别，实质上，只要你把图面放大后就一目了然了。
正是由于平常不容易看出二者的区别，所以使用时更不注意对二者的区分，要强调的是，前者在电路特性上有较强的抑制高频干扰的作用，适用于需做大面积填充的地方，特别是把某些区域当做屏蔽区、分割区或大电流的电源线时尤为合适。
后者多用于一般的线端部或转折区等需要小面积填充的地方。
6、焊盘（Pad）
焊盘是PCB设计中最常接触也是最重要的概念，但初学者却容易忽视它的选择和修正，在设计中千篇一律地使用圆形焊盘。
选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。
Protel在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等，但有时这还不够用，需要自己编辑。
例如，对发热且受力较大、电流较大的焊盘，可自行设计成“泪滴状”，在大家熟悉的彩电PCB的行输出变压器引脚焊盘的设计中，不少厂家正是采用的这种形式。
一般而言，自行编辑焊盘时除了以上所讲的以外，还要考虑以下原则：
（1）形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过大；
（2）需要在元件引角之间走线时选用长短不对称的焊盘往往事半功倍；
（3）各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原则是孔的尺寸比引脚直径大0.2-0.4毫米。
7、各类膜（Mask）
这些膜不仅是PCB制作工艺过程中必不可少的，而且更是元件焊装的必要条件。
按“膜”所处的位置及其作用，“膜”可分为元件面（或焊接面）助焊膜（ToporBottom和元件面（或焊接面）阻焊膜（ToporBottomPasteMask）两类。
顾名思义，助焊膜是涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜，也就是在绿色板子上比焊盘略大的各浅色圆斑。
阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的板子适应波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。
可见，这两种膜是一种互补关系。
由此讨论，就不难确定菜单中类似“solderMaskEn1argement”等项目的设置了。
8、飞线
飞线有两重含义：
（1）自动布线时供观察用的类似橡皮筋的网络连线，在通过网络表调入元件并做了初步布局后，用“Show命令就可以看到该布局下的网络连线的交叉状况，不断调整元件的位置使这种交叉最少，以获得最大的自动布线的布通率。
（2）布线结束，还有哪些网络尚未布通，也可通过该功能来查找。
找出未布通网络之后，可用手工补偿，实在补偿不了就要用到“飞线”的第二层含义，就是在将来的印板上用导线连通这些网络。
要交待的是，如果该电路板是大批量自动线生产，可将这种飞线视为0欧阻值、具有统一焊盘间距的电阻元件来进行设计.
二PCB设计的一般方法
本节的目的在于说明如何使用印制板设计工具进行印制板流程的设计和一些注意事项，为项目组的设计人员提供设计规范，方便设计人员之间进行交流和相互检查。
2．1设计流程
PCB的设计流程分为设计准备、网表输入、规则设置、元器件布局、布线、检查、复查、输出八个步骤。
1．PCB设计准备
（1）标准元件的建立
物理元件可看成是电子器件的封装尺寸在PCB上的一个平面映像，设计前要考虑布线及生产工艺的可行性。
由于布线时需要在两引脚之间走线，这要求焊接元件引脚的焊盘有一个合适的尺寸。
焊盘过小，金属化孔的孔径就小，如果元器件是表面安装的话，金属化孔作为导通孔，孔径小问题不大，但若元器件是通孔安装（THM）的，如DIP双列直插封装的元器件，孔径过小，在装配时，器件引脚的插入就有困难，也可能导致器件的焊接困难，这必将影响整个PCB的可靠性。
但焊盘过大布线时将降低布通率。
所以，给焊盘设计一个合理的尺寸是十分重要的。
（2）特殊元件的建立
对于特殊元件尺寸即非标准物理元件上的尺寸，必须查阅有关资料或对电子器件进行实际测量，它包括外形尺寸、焊盘的大小、引脚序号排列等。
有时为了需要，可以把一个定型的电路建成一个库元件，也可以把相同电路模块建成一个库元件来使用，这样在PCB设计中能省时省事，得到事半功倍的效果。
（3）具体印制板设计文件的建立
有了逻辑图（或网络表）、物理元件库和PCB板形的描述，就可对某一块PCB板进行具体设计了，主要包括以下事项：
①门分配，将门电路分配到具体的元器件上，同时也初步确定元件的数量与空间位置。
②可交换封装形式的信息的建立。
③网络表的建立。
④检查各种描述的数据。
这一过程往往出错较多，在种种描述之中有互相矛盾冲突发生，需根据反馈信息进行修正，再重复建立设计文件，直至完全正确为止。
2．网表输入
网表输入有两种方法，一种是使用PowerLogic的OLEPowerPCBConnection功能，选择SendNetlist，应用OLE功能，可以随时保持原理图和PCB图的一致，尽量减少出错的可能。
另一种方法是直接在PowerPCB中装载网表，选择File→Import，将原理图生成的网表输入进来。
3．规则设置
如果在原理图设计阶段就已经把PCB的设计规则设置好的话，就不用再设置这些规则了，因为输入网表时，设计规则已随网表输入到PowerPCB中了。
如果修改了设计规则，必须保证原理图和PCB的一致。
除了设计规则和层定义外，还有一些规则需要设置，比如PadStacks，需要修改标准过孔的大小。
如果设计者新建了一个焊盘或过孔，一定要加上Layer25。
注意，PCB设计规则、层定义、过孔设置、CAM输出设置已经做成默认启动文件，名称为Default．stp，网表输入进来以后，按照设计的实际情况，把电源网络和地分配给电源层和地层，并设置其他高级规则。
在所有的规则都设置好以后，在PowerLogic中，使用OLEPowerPCBConnection的RulesFromPCB功能，更新原理图中的规则设置，以保证原理图和PCB图的规则一致。
4．元器件布局
网表输入以后，所有的元器件都会在工作区的零点，重叠在一起，下一步的工作就是把这些元器件分开，按照一些规则摆放整齐，即元器件布局。
PowerPCB提供了两种方法，手工布局和自动布局。
（1）手工布局
①根据工具印制板的结构尺寸画出极边（BoardOutline）。
②在板边的周围放置元器件。
③把元器件一个一个地移动、旋转，放到板边以内，按照一定的规则摆放整齐。
（2）自动布局
PowerPCB提供了自动布局，但对大多数的设计来说，效果并不理想，不推荐使用。
（3）注意事项
①布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。
②数字器件和模拟器件要分开，尽量远离。
③去耦电容尽量靠近器件的VCC。
④放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集。
⑤多使用软件提供的Anny和Union功能，以提高布局的效率。
5．布线
布线的方式有两种，手工布线和自动布线。
PowerPCB提供的手工布线功能十分强大，包括自动推挤、在线设计规则检查（DRC），自动布线由布线引擎进行，通常这两种方法配合使用，常用的步骤是手工—自动—手工。
（1）手工布线
自动布线前，先用手工布一些重要的网络，比如高频时钟、主电源等，这些网络往往对走线距离、线宽、线间距、屏蔽等有特殊的要求；其次是一些特殊封装，如BGA。
（2）自动布线
手工布线结束以后，剩下的网络就交给自动布线器来自动布线。
选择Tools→Specctra，启动Specctra布线器的接口，设置好DO文件后，按Contnue就启动了Specctra布线器的自动布钱，结束后如果布通率为100%，那么就可以进行手工调整布线了：
如果布通率不到100％，说明布局或手工布线有问题，需要调整布局或手工布线，直至全部布通为止。
自动布线很难布得很有规则，还要用手工布线对PCB的走线进行调整。
（3）注意事项
①电源线和地线尽量加粗。
②去耦电容尽量与VCC直接连接。
③设置Specctra的DO文件时，首先添加Protectallwires命令，保护受公布的线不被自动布线器重布。
④如果有混合电源层，应该将该层定义为Split/mixedPlane，在布线之前将其分割，布完线之后，使用PourManager的PlaneConnect进行覆铜。
⑤将所有的器件管脚设置为热焊盘方式，做法是将Filter设为Pins，选中所有的管脚，修改属性，在Thermal选项前打钩。
⑥手动布线时把DRC选项打开，使用动态布线（DynamicRoute）。
6．检查
检查的项目有间距（Clearance）、连接性（Connectivity）、高速规则（HighSpeed）和电源层（Plane），这些项目可以选择Tools→VerifyDesign进行。
如果设置了高速规则，必须检查，否则可以跳过这一项。
检查出错误，必须修改布局和布线。
注意，有些错误可以忽略，例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外，检查间距时会出错；另外每次修改过走线和过孔之后，都要重新覆铜一次。
7．复查
复查根据“PCB检查表”，内容包括设计规则、层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置。
还要重点复查器件布局的合理性、电源、地线网络的走线、高速时钟网络的走线与屏蔽、去耦电容的摆放和连接等。
复查不合格，设计者要修改布局和布线，合格之后，复查者和设计者分别签字。
8．设计输出
PCB设计可以输出到打印机或输出光绘文件。
打印机可以把PCB分层打印，便于设计者和复查者检查；光绘文件交给制板厂家。
光给文件的输出十分重要，关系到这次设计的成败，下面将着重说明输出光绘文件的注意事项。
①需要输出的层有布线层（包括顶层、底层、中间布线层）、电源层（包括VCC层和GND层）、丝印层（包括顶层丝印、底层丝印）、阻焊层（包括顶层阻焊和底层阻焊），另外还要生成钻孔文件（NCDrill）。
②如果电源层设置为Split/Mixed，那么在AddDocument窗口的Document项选择Routing，并且每次输出光绘文件之前，都要对PCB图使用PourManager的PlaneConnect进行覆铜；如果设置为CAMPlane，则选择Plane。
在设置Laver项的时候，要把Layer25加上，在Layer25层中选择Pads和Vias。
③在设备设置窗口（按DeviceSetup）将Aperture的值改为199。
④在设置每层的Layer时，将BoardOutline选上。
⑤设置丝印层的Layer时，不要选择PartType，选择顶层（底层）和丝印层的Outline，Text，line
⑥设置阻焊层的Layer时，选择过孔表示过孔上不加阻焊，不选过孔表示加阻焊，视具体情况确定。
⑦生成钻孔文件时，使用PowerPCB的默认设置，不要进行任何改动。
⑧所有光绘文件输出以后，用CAM350打开并打印，由设计者和复查者根据“PCB检查表”检查。
2.2PCB布局
在设计中，布局是一个重要的环节。
布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是PCB设计成功的第一步。
布局的方式分两种，一种是交互式布局，另一种是自动布局。
布局一般是在自动布局的基础上用交互式布局进行调整，在布局时还可根据走线的情况对门电路进行再分配，将两个门电路进行交换，使其成为便于布线的最佳布局。
在布局完成后，还可对设计文件及有关信息进行返回并标注于原理图，使得PCB板中的有关信息与原理图相一致，以便同今后的建档、更改设计能同步起来，同时对模拟的有关信息进行更新，以便对电路的电气性能及功能进行板级验证。
1．考虑整体美观
一个产品的成功与否，一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观，两者都较完美才能认为该产品是成功的。
在一个PCB板上，元件的布局要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。
2．布局的检查
①印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符，是否符合PCB制造工艺要求，有无定位标记。
②元件在二维、三维空间上有无冲突。
③元件布局是否疏密有序，排列整齐，是否全部布完。
④需经常更换的元件能否方便的更换，插件板插入设备是否方便。
⑤热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离。
⑥调整可调元件是否方便。
⑦在需要散热的地方，装了散热器没有，空气流是否通畅。
⑧信号流程是否顺畅且互连最短。
⑨插头、插座等与机械设计是否矛盾。
⑩线路的干扰问题是否有所考虑。
3．元器件布局规则
①元件布置的有效范围：
PCB板X，Y方向均要留出传送边，每边3.5mm，如不够，需另加工艺传送边。
②PCB板上元件需均匀排放，避免轻重不均。
③元器件在PCB板上的排向，原则上就随元器件类型的改变而变化，即同类元器件尽可能按相同的方向排列，以便元器件的贴装、焊接和检测。
④当采用波峰焊时，尽量保证元器件的两端焊点同时接触焊料波峰（SOIC必须保证，片状、柱状元件尽量保证）。
⑤当尺寸相差较大的片状元器件相邻排列，且间距很小时，较小的元器件在波峰焊时应排列在前面，先进入焊料波，避免尺寸较大的元器件遮蔽其后尺寸较小的元器件，造成漏焊。
⑥板上不同组件相邻焊盘图形之间的最小间距应在lmm以上。
4．基准标志
为了精密地贴装元器件，可根据需要设计用于整块PCB的光学定位的一组图形（基准标志），用于引脚数多，引脚间距小的单个器件的光学定位图形（局部基准标志）。
基准标志常用图形有：
■●▲◆，（图型代表的意义见5.1.1小节，PCB设计的可制造性第52条）其大小在0.5～2.0mm范围内，置于PCB或单个器件的对角线对称方向位置。
基准标志要考虑PCB材料颜色与环境的反差，通常设置成焊盘样，即覆铜或镀铅锡合金。
对于拼板，由于模板冲压偏差，可能形成板与板之间间距不一致，最好在每块拼板上都设基准标志，让机器将每块拼板当做单极看待。
5．焊盘图形设计
焊盘设计，一般按所用元件外形，在CAD标准库中选取相应标准焊盘尺寸，不能以大代小或以小代大。
6．焊盘与印制导线
减少印制导线连通焊盘处的宽度，除非受电荷容量、印制板加工极限等因素的限制，最大宽度应为0.4mm，或焊盘宽度的一半（以较小焊盘为准）。
焊盘与较大面积的导电区如地、电源等平面相连时，应通过一长度较短细的导电线路进行热隔离。
印制导线应避免呈一定角度与焊盘相连，只要可能，印制导线应从焊盘的长边的中心处与之相连。
7．焊盘与阻焊膜
印制板上相应于各焊盘的阻焊膜的开口尺寸，其宽度和长度分别应比焊盘尺寸大0.05～0.25mm，具体情况视焊盘间距而定，目的是既要防止阻焊剂污染焊盘，又要避免焊膏印刷、焊接时的连印和连焊。
再有阻焊膜的厚度不得大于焊盘的厚度。
8．导通孔布局
避免在表面安装焊盘以内，或在距表面安装焊盘0.635mm以内设置导通孔。
如无法避免，须用阻焊剂将焊料流失通道阻断。
对测试支撑导通孔，在设计布局时，需充分考虑不同直径的探针在进行自动的在线测试（ATE）时的最小间距。
9．焊接方式与PCB整体设计
再流焊几乎适用于所有贴片元件的焊接，波峰焊则只适用于焊接矩形片状元件、圆柱形元器件、SOT等和较小的SOP（管脚数小于28、脚间距1mm以上）。
当采用波峰焊接SOP等多脚元件时，应于锡流方向最后两个（每边各1）焊脚外设置窃锡焊盘，防止连焊。
鉴于生产的可操作性，PCB整体设计尽可能按以下顺序优化：
①单面贴装或混装，即在PCB单面布放贴片元件或插装元件；
②双面贴装，PCBA面布放贴片元件和插装元件，B面布放适合于波峰焊的贴片元件；
③双面混装，PCBA面布放贴片元件和插装元件，B面布放需再流焊的贴片元件。
总之，表面贴装PCB设计内容很广，不仅要考虑电路基本设计、元器件产品设计、基板设计，而且还要考虑制造工艺性设计、测试图形设计等多方面的内容。
若设计不当，SMT根本无法实施或生产效率很低。
另外，随着SMT设备的发展，SMT工艺也在不断发展，现有的一些制约因素也许在不久的将来就会消失，所以设计人员需不断跟踪新设备、新工艺的发展。
2.3元件的选择和考虑
对元件的选择，一般必须做到的考虑点最少有以下几方面：
①电气性能。
②占地效率（三维）。
③成本和供应。
④元件可靠性和使用环境条件。
⑤和设计规范的吻合。
⑥合适的工艺和设备规范。
⑦可组装性、可测试性（包括目视检查）、可返修性。
⑧与制造相关的资料是否完整可得（如元件完整详细外形尺寸、引脚材料、工艺温度限制等）。
从可制造性上考虑，元件的选择应对封装有所了解。
元件的封装种类繁多，也各有各的优缺点。
做为设计人员，对这些封装技术应该有一定的认识，才能在可选择的范围内做出最优化（即适合高质量高效率的生产）最适当的选择，比如去了解元件封装的目的。
如果了解到封装的目的之一是提供散热，那在设计时会自然而然的考虑到不同封装的散热性能。
了解到散热和IC的引脚材料有关后，便自然而然的会考虑到是否需要采用铜而放弃42号合金的引脚之类的问题。
对于元件封装和组装工艺相关的问题，已不只是工艺或生产工程师的事了。
设计人员也应该有所了解。
比如在“爆米花效应”（Pop－corneffect，因元件吸湿而在回流过程中爆裂的现象）的考虑上，在可选的情况下会优选PLCC44而不用QFP44。
又如对SOIC的底部浮起高度的考虑，市面上有不太统一的规范，设计人员应该了解到不同高度指标对厂内现有的工艺和设备将会造成什么问题。
如当采用清洗工艺时，元件选择上就应该选择较高标准的元件。
如果采用贴片机生产，还要注意元件的包装。
不同的包装有不同的生产效率和成本。
选择标准应根据生产设备和管理的情况而定。
2.5焊盘设计
焊盘的尺寸，对SMT产品的可制造性和寿命有很大的影响。
影响焊盘尺寸的因素众多，必须全面的配合才能做得好。
要在众多因素条件中找到完全一样的机会很小。
所以SMT用户应该开发适合自己的一套尺寸规范，而且必须有良好的档案记录，详细记载各重要的设计考虑和条件，以方便将来的优化和更改。
由于目前在一些因素和
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