電子線路CAD實(shí)用教程－基于Altium Designer平臺(tái) 雙印制板設(shè)計(jì)舉例PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1電子線路電子線路CAD實(shí)用教程基于實(shí)用教程基于Altium Designer平臺(tái)平臺(tái) 雙印制板設(shè)計(jì)舉例雙印制板設(shè)計(jì)舉例2021-10-17 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“NewProjectPCB Project”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“NewSchematic”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

2、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“NewPCB”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“Open Project”命令，打開用戶集成庫文件包(LibPkg)。第1頁/共32頁2021-10-17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)如圖所示。 圖圖9.1.1 為方便原理圖編輯創(chuàng)建的設(shè)計(jì)環(huán)為方便原理圖編

3、輯創(chuàng)建的設(shè)計(jì)環(huán)境境第2頁/共32頁2021-10-17 在原理圖編輯器狀態(tài)下，編輯如圖所示的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。 圖圖9.1.2 APFC反激變換器原理圖反激變換器原理圖 第3頁/共32頁 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“Compile Document xxxx.SchDoc”(編譯xxxx.SchDoc原理圖文件)命令，在“Messages”(信息窗口)觀察到。

4、假設(shè)在圖中，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)在原理圖上對應(yīng)元件旁邊還給出“波浪線”提示符，如圖所示。 圖圖9.1.3 有問題元件旁用有問題元件旁用“波浪線波浪線”提示提示 第4頁/共32頁2021-10-172. 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“Net list for Project”(適用于含有多張?jiān)韴D的層次電路)或“Netlist for Document”(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Prot

5、el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“Footprint Manager”(封裝管理)命令，在圖窗口內(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。 第5頁/共32頁2021-10-17圖圖9.1.5 封裝圖管理器界面封裝圖管理器界面 第6頁/共32頁2021-10-17 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。 第7頁/共32頁 本例中的PCB板外形尺寸已確定，各部位尺寸(單位為mm)如圖所示。圖圖9.2.3 PC

6、B外形尺寸外形尺寸 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)果如圖所示。9.2.7 由選中對象定義的圖紙區(qū)外形由選中對象定義的圖紙區(qū)外形 第8頁/共32頁2021-10-17 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)。

7、第9頁/共32頁 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“Update PCB Document xxx.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“Update PCB Document xxx.PcbDoc”命令，將彈出圖所示的工程更新信息。 圖圖9.3.1 工程更新信息工程更新信息 (2) 單擊圖中的“Execute Changes”(執(zhí)行更新)按鈕，然后再單擊“Only Show Errors”(僅顯示錯(cuò)誤)按鈕，檢查有

8、無錯(cuò)誤。 第10頁/共32頁2021-10-17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，如圖所示。 圖原理圖文件中元件封裝圖已裝入了圖原理圖文件中元件封裝圖已裝入了PCB文件文件 第11頁/共32頁2021-10-17 完成了PCB文件更新操作后，原理圖中元件對應(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“Board Option”命令，在圖所

9、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。 第12頁/共32頁2021-10-17 所謂元件安全間距就是元件間外輪廓線的最小距離，如圖所示。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)。 圖圖9.4.1 元件間距圖例元件間距圖例 第13頁/共32頁元件安全間距設(shè)置操作過程如下： (1) 執(zhí)行“Design”菜單下的“Rules”命令，在

10、圖所示“設(shè)計(jì)規(guī)則”窗口內(nèi)，單擊“Placement”(放置)標(biāo)簽，并選擇“Component Clearance”(元件安全間距)。 圖圖9.4.3 元件安全間距設(shè)置元件安全間距設(shè)置 (2) 在圖所示窗口內(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(Altium Designer允許單獨(dú)設(shè)置垂直方向間距)。 第14頁/共32頁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“Rules and Violations”作為瀏覽對象，在“規(guī)則分類”列表窗內(nèi)，單擊“Component Clearance Const

11、raint”，并選中狀態(tài)列表窗內(nèi)的“On”，即可觀察到圖所示的違反設(shè)計(jì)規(guī)則詳細(xì)信息。 圖圖9.4.5 違反設(shè)計(jì)規(guī)則詳細(xì)列表違反設(shè)計(jì)規(guī)則詳細(xì)列表 第15頁/共32頁2021-10-17 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)第16頁/共32頁2021-1

12、0-17在本設(shè)計(jì)例中大電流回路、開關(guān)節(jié)點(diǎn)如圖粗線所示。 圖大電流回路與開關(guān)節(jié)點(diǎn)圖大電流回路與開關(guān)節(jié)點(diǎn) 第17頁/共32頁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D4D5、輸出濾波電容E2E5；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(圖中的粗線)及弱信號(hào)電路(圖中帶灰色背景的單元電路)包括： 圖圖9.4.8弱信號(hào)線與弱信號(hào)電路弱信號(hào)線與弱信號(hào)電路 第18頁/共32頁2021-10-174. 安全間距 由于初級(jí)側(cè)電壓差大，必

13、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)絕對等級(jí)高，兩者間距必須保持6.0mm以上。 第19頁/共32頁2021-10-17 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”作為瀏覽對象。 在缺省狀態(tài)下，PCB編輯器自動(dòng)建立了“All Components”(全部元件)、“Bottom Side Components”(底層，即焊錫面內(nèi)元件)、“Inside Board Components”(布線區(qū)內(nèi)元件)、“Outside Board Components”(布線區(qū)外的元件) 、“Top Side Components”(頂層，即元件面內(nèi)元件)以及

14、原理圖對應(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)入圖所示的“對象分類管理器”窗口內(nèi)。 第20頁/共32頁2021-10-17圖圖9.4.10 對象分類管理器對象分類管理器 將鼠標(biāo)移到某一分類對象，如“All Components”上，單擊右鍵，調(diào)出對象分類操作常用命令，選擇其中的“Add Class”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。 第21頁/共32頁2021-10-17 盡管電子CAD類軟件都提供了所謂“自動(dòng)布局”功能，Altium Designer也不例外，理論上，操作者可以借助“Too

15、ls”菜單下的“Component PlacementAuto Placer”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。 第22頁/共32頁1. 預(yù)布局 (2) 對照原理圖，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，如圖所示。 圖圖9.4.13 按信號(hào)流向大致確定單元電路在按信號(hào)流向大致確定單元電路在PC

16、B上的位置上的位置 (1) 先放置對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，如圖中的輸出濾波電容E2E5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Bottom Layer(焊錫)面內(nèi)。 第23頁/共32頁2021-10-172. 細(xì)調(diào)元件位置細(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

17、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。 第24頁/共32頁 在完成了元件布局操作后，可執(zhí)行“View”菜單下的“Switch To 3D”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“Manage 3D Bodies for Components On Board”(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，如圖所示。 圖圖9.5.1管理

18、管理PCB板上元件板上元件3D模型模型 第25頁/共32頁 在圖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“Switch To 3D”命令，進(jìn)入3D顯示狀態(tài)，觀察3D顯示效果，如圖所示。 圖圖9.5.2 部分大尺寸元件部分大尺寸元件3D顯示效果顯示效果 第26頁/共32頁

19、2021-10-17 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。 第27頁/共32頁 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),否則布線效果會(huì)很差。 圖圖9.6.1 設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)規(guī)則 第28頁/共32頁 手工布線是PCB設(shè)計(jì)過程中最基本、最有效的布線方式。實(shí)踐表明：一塊布線質(zhì)量優(yōu)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動(dòng)與