基于Protel 99SE環(huán)境下PCB設計規(guī)范與技巧

    Protel 99 SE是Altium公司為代表性和普遍性的一款功能強大、深受電路設計者歡迎使用的EDA設計系統(tǒng)軟件。它是將電路原理圖設計、PCB板圖設計、電路仿真和PLD設計等多個實用工具軟件組合后構成的EDA工作平臺，為用戶提供全線的設計解決方案。從初的項目模塊規(guī)劃到終形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)都可以按照設計者自己的設計方式實現(xiàn)。
雖然Protel 99SE軟件擁有如此強大的功能。但是光靠一個功能強大的軟件是不可能設計出一塊性能優(yōu)良、布局合理的PCB板圖的，在整個PCB板圖的設計過程中，主要還需要依靠設計者多年設計板圖的經(jīng)驗和一些先進的設計規(guī)范與設計技巧。本文正是基于Protel 99 SE軟件這個平臺，根據(jù)一些先進的設計規(guī)范和本人多年的設計經(jīng)驗來闡述一下PCB板圖在設計過程中所必須依據(jù)一些設計規(guī)范和設計技巧，以便初學者能更快、更好的設計出理想的PCB板圖，提高整個電路的性能。
根據(jù)PCB板圖的設計流程，本文主要從設計前期準備、PCB板圖布局、布線和設計評審四個方面將進行一一闡述。
1 設計前期準備
在PCB板圖設計之前，硬件項目人員必須準備好以下的材料： (1)要準備需要的元件庫。 “工欲善其事，必先利其器”，要做出一塊好的板子，除了要設計好原理圖之外，還要畫得好。在進行PCB設計之前，首先要準備好原理圖SCH的元件庫和PCB的元件庫。元件庫可以用Protel自帶的庫，但一般情況下很難找到合適的，好是自己根據(jù)所選器件的標準尺寸資料自己做元件庫。原則上先做PCB的元件庫，再做SCH的元件庫。PCB的元件庫要求較高，它直接影響板子的安裝。SCH的元件庫要求相對比較松，只要注意定義好管腳屬性和與PCB元件的對應關系就行; (2)根據(jù)準備好原理圖SCH的元件庫，完成原理圖的設計，明確電路的基本原理和各部分的布線要求，然后要經(jīng)過相關人員的技術評審，以確保整個原理圖方案的正確合理性和可行性; (3)PCB結構圖，應表明外形尺寸、安裝孔大小及定位尺寸、接插件定位尺寸、禁止布線區(qū)域等相關機械尺寸。
2 PCB板圖布局
在整個PCB板圖設計過程中，元件布局是極其重要的，元件布局的好壞從根本上就決定了該PCB板圖的設計水平、性能參數(shù)和下一步布線的難易程度，在布局之前首先要確定PCB電路板的坐標原點位置，一般以單板左邊和下邊的延長線交匯點或單板左下角的一個焊盤為坐標原點。根據(jù)多年設計板圖的經(jīng)驗和標準設計規(guī)范可知，布局操作的基本原則如下：
(1)根據(jù)結構圖設置板框的尺寸，按結構要素布置安裝孔、接插件等需要定位的器件，并給予這些器件鎖定狀態(tài)，然后按工藝設計規(guī)范的要求進行尺寸標注，并根據(jù)布局區(qū)域和元件的特殊要求設置禁止布線區(qū)。
(2)按照“先大后小，先難后易”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件等應優(yōu)先布局。布局中應參考原理圖的設計原理，根據(jù)信號的流向等規(guī)律安排主要元器件;
(3)按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標準優(yōu)化布局，相同結構的電路部分要盡可能采用“對稱式”標準布局;
(4)元件布局時，應適當考慮使用同一種電源的器件盡量放在一起，以便于將來的電源分割。完成同一功能的電路，應盡量靠近放置，并調(diào)整各元器件以保證連線為簡潔。同時，調(diào)整各功能塊間的相對位置使功能塊間的連線簡短;
(5)對于質(zhì)量大的元器件應考慮安裝位置和安裝強度，除溫度檢測元件以外的溫度敏感元件應遠離發(fā)熱元件放置，必要時還應考慮熱對流措施。高電壓、大電流信號與小電流、低電壓的弱信號要分開，模擬信號與數(shù)字信號要分開，高頻信號與低頻信號要分開，高頻元器件的間隔要充分;
(6)同類型插裝元器件在X或Y方向上應朝一個方向放置，同一種類型的有極性分立元件也要力爭在X或Y方向上保持一致，便于生產(chǎn)和檢驗;
(7)每個集成電路IC好加一個去耦電容，IC去耦電容的布局要盡量靠近IC的電源管腳，并使之與電源和地形成的回路短;
(8)布局完成后應檢查器件封裝的正確性，并且確認單板、背板和接插件的信號對應關系，經(jīng)確認無誤后方可開始布線。
3 布線
一個好的布局是重要的，但是一個好的布局只是為PCB板圖的設計打下了一個好的基礎，布線是整個PCB設計中重要的工序。這將直接影響著PCB板的性能好壞。在PCB的設計過程中，布線一般有這么三種境界的劃分：首先是布通，這時PCB設計時的基本的要求。如果線路都沒布通，搞得到處是飛線，那將是一塊不合格的板子，可以說還沒入門。其次是電器性能的滿足。這是衡量一塊印刷電路板是否合格的標準。這是在布通之后，認真調(diào)整布線，使其能達到佳的電器性能。接著是美觀。假如你的布線布通了，也沒有什么影響電器性能的地方，但是一眼看過去雜亂無章的，加上五彩繽紛、花花綠綠的，那就算你的電器性能怎么好，在別人眼里還是垃圾一塊。這樣給測試和維修帶來極大的不便。布線要整齊劃一，不能縱橫交錯毫無章法。這些都要在保證電器性能和滿足其他個別要求的情況下實現(xiàn)，否則就是舍本逐末了。布線時主要按以下原則進行：
(1)一般情況下，首先應對電源線和地線進行布線，以保證電路板的電氣性能。在條件允許的范圍內(nèi)，盡量加寬電源、地線寬度，好是地線比電源線寬。還有就是遵守“20H規(guī)則”，由于電源層和地層的電場是變化的，在板的邊緣會向外輻射電磁干擾，稱為邊緣效益。這樣我們通過將電源層內(nèi)縮，使得電場只在接地層的范圍內(nèi)傳導，以一個H(電源和地之間的介質(zhì)厚度)為單位，若內(nèi)縮20H則可以把70%的電場限制在接地層邊沿內(nèi)。
(2) PCB設計中應避免產(chǎn)生銳角和直角，盡可能采用45°的折線布線，不可使用90°折線，以減小高頻信號的輻射，要求高的線還要用雙弧線。
(3)器件去耦規(guī)則：在PCB板上增加必要的去耦電容，濾波電源上的干擾信號，使電源穩(wěn)定。在多層板中，對去耦電容的位置一般要求不太高。但對雙層板，去耦電容的布局及電源布線方式等直接影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般應該使電流先經(jīng)過濾波電容再供器件使用，同時還要充分考慮到期間產(chǎn)生的電源噪聲對下游的器件的影響，一般來誰，采用總線結構設計的電源模式;
(4)為防止不同工作頻率的模塊之間的互相干擾，一般盡量縮短高頻部分的布線長度，同時對模擬與數(shù)字電路應分別布置在PCB板的兩面，分別使用不同的層布線，中間用地層隔離的方式。
(5)振蕩器外殼接地，時鐘線要盡量短，且不能引得到處都是。時鐘振蕩電路下面、特殊高速邏輯電路部分要加大地的面積，而不應該走其它信號線，以使周圍電場趨近于零;
(6)預先對要求比較嚴格的線(如高頻線)進行布線，輸入端與輸出端的邊線應避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時應加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，以避免平行走線容易產(chǎn)生寄生耦合和層間的竄擾。
(7)設計布線時應讓布線長度盡量短，以減少由于走線過長帶來的干擾為問題，特別是一些重要信號線，如時鐘線，務必將其振蕩器放在離器件很近的地方。一般不要出現(xiàn)一端浮空的布線，以避免出現(xiàn)“天線效應”，減少不必要的干擾輻射和接受，否則帶來不可預知的結果;
(8)任何信號線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應盡量小，這樣對外的輻射越少，接收外界的干擾也越小。信號線的過孔要盡量少，關鍵的線盡量短而粗，并在兩邊加上保護地來盡量減小信號的回路面積。
后要進行布線優(yōu)化和絲印，俗話說“沒有好的，只有更好的”，不管你怎么挖空心思的去設計，等你畫完之后，再去看一看，還是會覺得很多地方可以修改的。一般設計的經(jīng)驗是：優(yōu)化布線的時間是初次布線的時間的兩倍。感覺沒什么地方需要修改之后，就可以鋪銅了(Pla-ce->polygon Plane)。鋪銅一般鋪地線(注意模擬地和數(shù)字地的分離)，多層板時還可能需要鋪電源。對于絲印，要注意不能被器件擋住或被過孔和焊盤去掉。同時，設計時正視元件面，底層的字應做鏡像處理，以免混淆層面。
4 設計評審
PCB板圖設計完成后，根據(jù)相應的質(zhì)量評審要求，對設計進行設計評審。評審的內(nèi)容大體分為下面幾個方面：
(1)檢查定位孔、定位件等機械尺寸是否與結構圖一致。(2)檢查高頻、高速、時鐘等易受干擾的信號線，是否回路面積小、是否遠離干擾源，是否有多余的過孔和繞線、是否跨地層分割區(qū)。(3)檢查晶體、變壓器、光耦、電源模塊下面是否有信號線穿過，應盡量避免在其下面穿線，特別是晶體下面應盡量鋪設接地的銅皮。 (4)檢查器件的序號是否有序排列，絲印標示等是否覆蓋焊盤、過孔等。(5)檢查布線完成情況是否百分之百，是否有線頭，是否有孤立的銅皮。