U盤(pán)電路的PCB板設(shè)計(jì)

1、.1電子CADProtel DXP 電路設(shè)計(jì) 任任 富富 民民 編編 著著中等職業(yè)學(xué)校教學(xué)用書(shū)（電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)）中等職業(yè)學(xué)校教學(xué)用書(shū)（電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)）電子教案電子教案.2 第11章U盤(pán)PCB板設(shè)計(jì) .3本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章以制作U盤(pán)PCB板為例，介紹SMT多層板的制作技巧和編輯修改方法，以達(dá)到以下學(xué)習(xí)目標(biāo)：理解多層板的含義，掌握多層板的創(chuàng)建方法。理解內(nèi)電層的含義，內(nèi)電層的屬性設(shè)置和分割方法掌握常用SMT元件的引腳封裝。掌握SMT元件引腳封裝的制作方法。掌握手工修改導(dǎo)線的常用方法。 .411.1 確定和添加元件封裝 因?yàn)閁盤(pán)體積非常小巧，電路板面積很小，所以電路板中的元件絕大部分采用SMD元件，以節(jié)省電

2、路板面積。根據(jù)前面章節(jié)的介紹，并結(jié)合元件的實(shí)際外形和管腳排列情況，而且部分元件還參考了元件供應(yīng)商提供的技術(shù)和封裝參數(shù)，確定合適的元件封裝如表所示。 .5數(shù)碼搶答器元件封裝表 元件類(lèi)型 元件封裝 封裝庫(kù) 電阻R C1005-0402 Miscellaneous Devices.IntLib 無(wú)極性電容C C1005-0402 發(fā)光二極管 DSO-F2/D6.1 有極性電容 CC1608-0603 Chip Capacitor - 2 Contacts.PcbLib U1（AT1201） SO-G5/Z3.6SOT 23 - 5 and 6 Leads.PcbLibU2（IC1114）F-QFP7

3、X7-G48/X.3NFQFP (0.5mm Pitch, Square) - Corner Index.PcbLibU3（K9F0BDUDB）TSSO12X20-G48/P.5TSOP (0.5mm Pitch) .PcbLibUSB接口J1USB自制封裝庫(kù)UPAN.PcbLib寫(xiě)保護(hù)開(kāi)關(guān)SW1ZZSW.61. 確定AT1201的封裝 .72. 確定IC1114的封裝 .83. 確定存儲(chǔ)器K9F0BDUDB的封裝 存儲(chǔ)器U3的封裝TSSO12X20-G48/P.5 .911.1.2自制元件封裝 USB接口J1的外形和引腳封裝 .10寫(xiě)保護(hù)開(kāi)關(guān)SW1的外形和引腳封裝 .11晶體振蕩器Y1的外形

4、和封裝 .1211.1.3 添加元件引腳封裝 U盤(pán)所需的封裝庫(kù) .132. 利用全局修改為各類(lèi)元件添加封裝 由于U盤(pán)元件很多，而且大部分元件的封裝都采用貼片封裝形式，而不是采用原原理圖元件中的默認(rèn)封裝，所以如果采用逐個(gè)修改的方法，工作量將會(huì)很大，可以采取全局修改的方法。下面以全局修改電阻的封裝為例。.14全局修改電阻的封裝（1）將光標(biāo)移到U盤(pán)原理圖中的任意一個(gè)電阻上，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的對(duì)話(huà)框中選菜單 ，彈出如圖所示的查找相似對(duì)象對(duì)話(huà)框，在【Resistor】項(xiàng)后選擇【Same】，表示將選中圖紙中所有的電阻。 .15查找所有電阻 .16修改電阻封裝可以看到圖紙中所有電阻均處于選中狀態(tài)，此時(shí)點(diǎn)

5、擊工作區(qū)右下方的【Inspect】按鈕，彈出如圖所示的Inspect面板，將【Current Footprint】欄修改為“C10050402”，按回車(chē)鍵確認(rèn)輸入。 .1711.2 新建PCB文件并繪制電路板邊框 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和U盤(pán)外殼的限制，確定電路的長(zhǎng)、高尺寸。經(jīng)過(guò)分析，確定本電路板長(zhǎng)、高參考尺寸為：4515mm，并且受外殼固定柱的限制，中間有一個(gè)半徑為1mm的半圓形的缺口，便于該電路板固定于U盤(pán)外殼中，如圖所示。 .1811.2.1 利用向?qū)е谱鱑盤(pán)PCB板 單擊【File】標(biāo)簽，將出現(xiàn)文件操作欄，選擇【PCB Board Wizards 】，將出現(xiàn)如圖所示的PCB板向?qū)g迎界面。 .

6、19尺寸單位選擇對(duì)話(huà)框 .20 PCB板類(lèi)型選擇對(duì)話(huà)框 .21PCB板用戶(hù)自定義對(duì)話(huà)框 自動(dòng)完成單位轉(zhuǎn)換適當(dāng)減小禁止布線框離電路板邊框的距離 .22信號(hào)層、內(nèi)電源層選擇對(duì)話(huà)框 .23過(guò)孔類(lèi)型選擇對(duì)話(huà)框 .24元件類(lèi)型選擇對(duì)話(huà)框 .25導(dǎo)線、過(guò)孔、安全間距設(shè)置對(duì)話(huà)框 .26 PCB板向?qū)瓿蓪?duì)話(huà)框 .27 PCB板向?qū)瓿傻碾娐钒?.28 修改尺寸標(biāo)注顯示單位 .29修改后的尺寸標(biāo)注 .3011.2.2 手工修改PCB板輪廓 .3111.3.1 載入元件引腳封裝 .3211.3.2 設(shè)置內(nèi)電層的網(wǎng)絡(luò)屬性 1. 如圖所示，執(zhí)行【Design】/【Layer Stack Manager】，彈出如下頁(yè)

7、圖所示的層堆棧管理器對(duì)話(huà)框。 .33 層堆棧管理器對(duì)話(huà)框 .34修改內(nèi)電層1的網(wǎng)絡(luò)屬性 雙擊層堆棧管理器對(duì)話(huà)框中的【Internal Plane1】層，彈出如圖所示的層屬性對(duì)話(huà)框，在【Net name】下拉列表框中選“VCC”，將該層作為電源VCC內(nèi)電層。 .35設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)屬性的內(nèi)電層 .3611.4 多層板元件布局調(diào)整 元件載入PCB板后，就可以根據(jù)元件的布局規(guī)律進(jìn)行布局，由于U盤(pán)電路板面積小元件多，元件密度很高，所以在布局前，必須仔細(xì)規(guī)劃好元件的布局方案，U盤(pán)布局是否合理是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵，它關(guān)系到U盤(pán)電路板布線是否成功以及整個(gè)電路的穩(wěn)定性，因?yàn)楸卷?xiàng)目采用四層板，布線已經(jīng)不是我們關(guān)注的首要問(wèn)

8、題。 .3711.4.1 確定布局方案 在高密度電路板中，是否需要雙面放置元件是設(shè)計(jì)者首先要考慮的問(wèn)題。一般情況下，如果在頂層能夠完成元件的布局，盡量不要將元件放置在底層，因?yàn)橐环矫鏁?huì)提高電路板的設(shè)計(jì)難度和成本，另一方面也會(huì)增加元件裝配的工序和難度。但對(duì)于U盤(pán)電路板而言，如果直接將元件放置在頂層，由于電路板太小，部分元件連放置的位置都沒(méi)有，所以必須采取雙面放置元件的辦法。仔細(xì)分析原理圖可以知道，U盤(pán)主要由以U2（IC1114）為核心的控制器電路和以U3（K9F0BDUDB）組成。所以可以考慮將二部分電路分別放置在頂層和底層，具體將U3（K9F0BDUDB）為核心的存儲(chǔ)器電路放置在頂層元件面，而

9、將U2（IC1114）為核心的控制器電路放置在底層的焊接面。 .3811.4.2 設(shè)置布局參數(shù) 1. 1. 修改圖紙參數(shù)修改圖紙參數(shù) 執(zhí)行菜單命令【Design】/【Options】，將彈出如圖所示的PCB圖紙選項(xiàng)，將光標(biāo)移動(dòng)?xùn)鸥瘛維nap Grid】和元件柵格【Component Grid】均修改為5mil，并將電氣柵格【Electrical Grid】修改為5mil。 .39修改PCB圖紙參數(shù) .402. 修改元件安全間距 由于電路板面積太小，元件的安全間距可以設(shè)置得更小一些，從而使元件可以排列得更緊密一些，如可以將其修改到步距5mil以下，。執(zhí)行菜單命令【Design】/【Rules】，

10、彈出PCB板規(guī)則對(duì)話(huà)框，雙擊【Placement】選項(xiàng)，再雙擊【Component Clearance】選項(xiàng)后，選中【Component Clearance】選項(xiàng)，如圖所示，在右邊的規(guī)則欄中將【Gap】欄修改為3mil。 .41修改元件安全間距 .4211.4.3 具體布局 根據(jù)布局原則，先確定相對(duì)于元件外殼，插孔位置等有定位元件的位置。本項(xiàng)目中有定位要求的元件有二個(gè)，一個(gè)是寫(xiě)保護(hù)開(kāi)關(guān)SW1，它必須與外殼的寫(xiě)保護(hù)開(kāi)關(guān)孔對(duì)準(zhǔn)，并且開(kāi)關(guān)的撥動(dòng)手柄必須向外。另一個(gè)為發(fā)光二極管LED1，它必須與外殼的小孔對(duì)準(zhǔn)。 .43（1）確定寫(xiě)保護(hù)開(kāi)關(guān)SW1的位置，測(cè)量外殼寫(xiě)保護(hù)開(kāi)關(guān)孔的尺寸，確定SW1的第2焊盤(pán)的

11、定位尺寸如圖所示。 .44（2）將開(kāi)關(guān)SW1的第2焊盤(pán)放置到指定位置.45（3）鎖定SW1的位置 鎖定元件.46放置發(fā)光二極管LED1的位置 .472. 修改元件標(biāo)注的尺寸大小 從圖中可以看到，元件標(biāo)注的尺寸太大，占了太多的面積，必須修改元件標(biāo)注的尺寸大小。（1）將光標(biāo)移到標(biāo)注LED1上，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的對(duì)話(huà)框中選菜單，彈出所示的查找相似對(duì)象對(duì)話(huà)框，在【Designator】項(xiàng)后選擇【Same】，表示將選中圖紙中所有的元件編號(hào)。.48(3)此時(shí)點(diǎn)擊工作區(qū)右下方的【Inspect】按鈕，彈出如圖所示的Inspect面板，將【Text Heigh】字符高度欄修改為原來(lái)的一半，即“30mil”

12、，將【Text Width】文字線條寬度修改為“5mil”，按回車(chē)鍵確認(rèn)輸入。 .493. 確定頂層核心元件的位置 .504. 確定電源模塊的布局 依據(jù)下圖所示的電源原理圖，確定電源部分的布局關(guān)系如下頁(yè)圖所示。同時(shí)也將寫(xiě)保護(hù)電路的電阻R24放置在SW1的右邊，將LED1的限流電阻R11和電容C25也一并放置到圖紙中。 Vi n1GND2Cont3NDIS4Vout5AT1201U110uFC120. 1uFC134. 7uFC140. 01uFC15VUSBVCC.514. 確定電源模塊的布局 .525. 確定底層元件的布局 顯示底層絲印層 .53（2）放置底層關(guān)鍵元件U2先在頂層放置好元件U

13、2 .54將元件U2翻轉(zhuǎn)到底層焊錫面 .55 放置底層其它元件 .5611.5.1 內(nèi)電層分割 多層板與雙面板不同的地方在于多了內(nèi)電層，內(nèi)電層一般用于接地和接電源，使PCB板中大量的接地或接電源引腳不必再在頂層或底層走線，而可以直接（直插式元件）或就近通過(guò)過(guò)孔(貼片元件)接到內(nèi)電層，極大地減少了頂層和底層的布線密度，有利于其它網(wǎng)絡(luò)的布線。但有時(shí)一個(gè)系統(tǒng)中可能存在多個(gè)電源和地，如常見(jiàn)的+5V、+12V、-12V、-5V等電源，而接地網(wǎng)絡(luò)也有電源地，信號(hào)地，模擬地、數(shù)字地之分，如果再采用一個(gè)電源或接地網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)電層的方法，勢(shì)必導(dǎo)致內(nèi)電層的數(shù)目太多，電路板的制作成本成倍增加。此時(shí)可以采取內(nèi)電層分

14、割的辦法，將一個(gè)內(nèi)電層分割為幾個(gè)部分，將某個(gè)電源或接地網(wǎng)絡(luò)引腳比較密集的區(qū)域劃分給該網(wǎng)絡(luò)，而將另一個(gè)區(qū)域劃分給其它電源或接地網(wǎng)絡(luò)。 .571. 將當(dāng)前層轉(zhuǎn)換為內(nèi)電層1【Internal Plane 1】。 2. 隱藏其它無(wú)關(guān)層。由前面的布局可知，與VUSB網(wǎng)絡(luò)連接的元件全部位于頂層，為了更好的進(jìn)行區(qū)域劃分，可以將底層信號(hào)層和底層絲印層全部關(guān)閉，使底層元件暫時(shí)不顯示，并將圖紙放大并顯示與VUSB網(wǎng)絡(luò)連接的焊盤(pán)區(qū)域。 .583. 分割內(nèi)電層。 選擇畫(huà)直線工具，沿著包含VUSB焊盤(pán)的區(qū)域畫(huà)出一個(gè)封閉區(qū)域，如圖所示。 .594. 修改分割后的內(nèi)電層網(wǎng)絡(luò)屬性。雙擊封閉區(qū)域中被分割出來(lái)的內(nèi)電層，彈出如圖所

15、示的內(nèi)電層屬性對(duì)話(huà)框，將其連接到【VUSB】網(wǎng)絡(luò)。 .6011.5.2 USB連接插頭J1焊盤(pán)屬性修改 USB連接插頭J1連接固定支架的0號(hào)焊盤(pán)，由于原理圖中沒(méi)有引腳與其對(duì)應(yīng)，一般希望其接地，以提高電路的抗干擾能力，所以必須將J1的二個(gè)0號(hào)焊盤(pán)屬性修改為“GND”，以便自動(dòng)布線時(shí)自動(dòng)與內(nèi)電層GND相連。如圖所示。.6111.6 多層板自動(dòng)布線 11.6.1 設(shè)置多層板布線參數(shù)設(shè)置多層板布線參數(shù)執(zhí)行【Design】/【Rules】菜單命令，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。其中最關(guān)鍵的參數(shù)有安全間距【Clearance】，布線層面【Routing Layers】和導(dǎo)線寬度【W(wǎng)idth Constraint】，其它參

16、數(shù)采用默認(rèn)值即可。 .621. 設(shè)置安全間距 安全間距指不同網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)線與焊盤(pán)之間的最小距離，它的設(shè)置可以避免導(dǎo)線之間以及導(dǎo)線與焊盤(pán)之間距離太小而短路或大火，但它的大小同時(shí)也決定了走線的難度和導(dǎo)線的布通率。在U盤(pán)中，供電電壓很低，我們主要關(guān)心的是保證導(dǎo)線的布通率，所以將安全間距設(shè)置為4mil，如圖所示。 .63設(shè)置安全間距 .64設(shè)置雙面板的布線層 .65導(dǎo)線規(guī)則設(shè)置 .663. 設(shè)置過(guò)孔尺寸 .674.設(shè)置SMT焊盤(pán)拐角距離 .6811.6.2 多層板自動(dòng)布線 執(zhí)行菜單命令【Auto Route】/【All】菜單命令，將彈出如圖所示的自動(dòng)布線策略選擇對(duì)話(huà)框?qū)υ?huà)框，選用【Via Miser】選項(xiàng)

17、，表示將采用具有建議性最小過(guò)孔限制的多層板布線策略進(jìn)行布線，點(diǎn)擊【Route All】 按鈕，PCB板編輯器開(kāi)始自動(dòng)布線 .69U盤(pán)自動(dòng)布線結(jié)果 .70元件引腳與內(nèi)電層的連接方式 直插式元件引腳直接與內(nèi)電層相連 貼片元件引腳通過(guò)過(guò)孔與內(nèi)電層相連.7111.7 手工修改多層板導(dǎo)線和覆銅U盤(pán)PCB板中自動(dòng)布線完成后，有的導(dǎo)線彎曲過(guò)多，繞行過(guò)遠(yuǎn)，必須進(jìn)行修改，修改一般采取先修改繞行彎曲現(xiàn)象比較明顯的長(zhǎng)導(dǎo)線，然后再微調(diào)其它局部需要調(diào)整的短導(dǎo)線。 .721. 頂層導(dǎo)線分析利用前面介紹的方法，暫時(shí)將底層信號(hào)層和絲印層，以及頂層絲印層隱藏起來(lái)，使工作區(qū)主要顯示頂層導(dǎo)線，如圖 所示，可以明顯的看到有一處導(dǎo)線繞

18、行過(guò)遠(yuǎn)。 該導(dǎo)線繞行過(guò)遠(yuǎn).732. 分析底層導(dǎo)線 將頂層信號(hào)層和絲印層，以及底層絲印層隱藏起來(lái)，使工作區(qū)主要顯示底層導(dǎo)線，如圖11.65所示，也可以明顯的看到有一處導(dǎo)線繞行過(guò)遠(yuǎn)。 該導(dǎo)線繞行過(guò)遠(yuǎn).7411.7.2 修改底層導(dǎo)線 由于導(dǎo)線修改時(shí)必須綜合考慮到二個(gè)信號(hào)層導(dǎo)線的走線情況，所以將底層和頂層信號(hào)層均顯示，而將底層和頂層絲印層全隱藏。 .751. 撤銷(xiāo)原導(dǎo)線 先執(zhí)行菜單命令【Tools】/【Un-Route】/【Connection】，出現(xiàn)十字光標(biāo)，對(duì)準(zhǔn)要撤銷(xiāo)的導(dǎo)線，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵即可撤銷(xiāo)原導(dǎo)線，如圖所示。 撤銷(xiāo)導(dǎo)線后留下的飛線 .762. 規(guī)劃新導(dǎo)線的路徑，并對(duì)其它導(dǎo)線作必要的修改 先修改

19、底層要修改的導(dǎo)線，該導(dǎo)線之所以繞行過(guò)遠(yuǎn)，是因?yàn)榈讓又杏袑?dǎo)線擋住了其連通的路徑，必須將其調(diào)整，如圖所示。 需調(diào)整的過(guò)孔需調(diào)整的導(dǎo)線.77調(diào)整過(guò)孔的位置 調(diào)整好位置的過(guò)孔 .78調(diào)整導(dǎo)線的位置 調(diào)整好位置的導(dǎo)線.793. 繪制新導(dǎo)線，并添加必要的過(guò)孔 繪制底層導(dǎo)線添加的過(guò)孔.80繪制頂層導(dǎo)線 繪制頂層導(dǎo)線.81修改頂層導(dǎo)線 新繪制的導(dǎo)線修改過(guò)的導(dǎo)線修改過(guò)的二條導(dǎo)線.8211.7.4 連接未布通的導(dǎo)線，并微調(diào)其它短導(dǎo)線需要微調(diào)的導(dǎo)線未連接到內(nèi)電層的焊盤(pán) .831. 將貼片元件引腳連接到內(nèi)電層 (a) 放置過(guò)孔 (1）放置過(guò)孔。貼片元件引腳必須通過(guò)過(guò)孔才能連接到內(nèi)電層，所以必須在引腳附近添加過(guò)孔，利用放置工具中的過(guò)孔工具，在合適位置放置一個(gè)過(guò)孔，如圖所示。 .84（2）修改過(guò)孔屬性。 要使過(guò)孔能連接到VCC網(wǎng)絡(luò)，并且使