Protel DXP 2004 SP2印制電路板設(shè)計教程 課件 項目8 雙面PCB設(shè)計-智能開關(guān)

制作團隊：郭勇、陳開洪、吳榮海項目8雙面PCB設(shè)計--智能開關(guān)主要內(nèi)容任務(wù)8.1了解智能開關(guān)任務(wù)8.2智能開關(guān)PCB布局任務(wù)8.3常用自動布線設(shè)計規(guī)則設(shè)置任務(wù)8.4智能開關(guān)PCB布線技能實訓10智能開關(guān)PCB設(shè)計項目8雙面PCB設(shè)計--智能開關(guān)8.1.1產(chǎn)品介紹

智能開關(guān)是智能家居的重要組成部分，主要由控制板和開關(guān)板組成，通過程序控制實現(xiàn)電路的智能化控制，可以遠程進行設(shè)備的開關(guān)操作。

智能開關(guān)控制板智能開關(guān)開關(guān)板任務(wù)8.1了解智能開關(guān)強電開關(guān)板電路原理圖弱電主控板電路原理圖

智能開關(guān)元器件采用貼片式和通孔式混合，設(shè)計前要對個別元器件進行元器件的原理圖符號和PCB封裝設(shè)計。8.1.2設(shè)計前準備1.繪制原理圖元器件隱藏引腳0網(wǎng)絡(luò)“GND”2.元器件封裝設(shè)計主控模塊實物圖

1）主控模塊ESP32-C3-WROOM-02的封裝，整個模塊看成一個器件，封裝名為DFN-ESP32-19，兩個相鄰焊盤中心間距為1.5mm，兩個相對焊盤中心間距為17.6mm，焊盤X/Y尺寸為2mm/1mm，焊盤編號為1-18。DFN-ESP32-19中心焊盤編號為0X/Y尺寸均為3mmSMD-SW6X6

2）輕觸按鍵的封裝，封裝名SMD-SW6X6，外框尺寸6mm×6mm，兩列焊盤中心間距8mm，兩行焊盤中心間距4mm，同一行的兩個焊盤編號相同，上下兩行的焊盤編號分別為1和2，焊盤的X/Y尺寸分別為2mm和1mm。3）穩(wěn)壓芯片ASM1117的封裝，封裝名SOT223_M，從MiscellaneousDevices.IntLib庫中復(fù)制DSO-G3封裝進行修改，將引腳編號1-4按順序改為2、3、1、3，并將封裝名為SOT223_M。輕觸按鍵實物SOT223_M穩(wěn)壓芯片實物接線柱的實物與封裝

4）接線柱的封裝，封裝名JXZ-1，焊盤X/Y尺寸分別為6mm×4mm，孔徑為1.5mm，編號為1,外形高度為9.8mm，底部為5.2mmX2.8mm的長方形，頂部為半徑3mm的半圓弧。5）繼電器的封裝，封裝名DIP-RELAY，外框尺寸10.5mm×18.5mm，兩行焊盤中心間距7.5mm，1、4和2、3焊盤中心間距為15mm和12.5mm，焊盤的X/Y尺寸為2mm×3mm，孔徑為1mm。繼電器實物與封裝Mechanical1層4.2mmX1.5mm電源模塊前視圖

6）電源模塊的封裝，封裝名SIP-AC-DC，封裝外框尺寸24mm×15mm它有4個引腳，從左往右，編號順序為1-4，4個焊盤中心間距依次為4mm、12.5mm、2.5mm，編號1、2焊盤X/Y尺寸為4mm×2mm，編號3、4焊盤X/Y尺寸為4mm×1.8mm，孔徑均為1mm。電源模塊后視圖電源模塊俯視圖SIP-AC-DC2.原理圖設(shè)計智能開關(guān)元器件參數(shù)表多數(shù)元器件來自系統(tǒng)自帶的元件庫，要設(shè)置好元器件封裝。元器件類別元器件標號庫元器件名元器件所在庫元器件封裝方形保險絲F1Fuse2MiscellaneousDevices.IntLibRAD-0.2電源模塊U1AC220-DC5自制庫SIP-AC-DC（自制）雙排母JP1-JP2Header5X2MiscellaneousConnectors.IntLibHDR2X5繼電器JK1-JK4Relay-SPDTMiscellaneousConnectors.IntLibDIP-RELAY（自制）接線柱SP1-SP6WT-1自制庫JXZ-1三極管V1-V4BC846BZetexDiscreteBJT.IntLibSOT23二極管VD1-VD4DiodeMiscellaneousDevices.IntLibCC3216-1206電阻R1-R10Res2MiscellaneousDevices.IntLibC1608-0603壓敏電阻R0ResVaristorMiscellaneousDevices.IntLibRAD-0.2主控模塊U2ESP32-C3-WROOM-02-H4自制庫DFN-ESP32-19（自制）穩(wěn)壓芯片U3VoltRegMiscellaneousDevices.IntLibSOT223_M（自制）輕觸按鍵SW1-SW6SW-PBMiscellaneousDevices.IntLibSMD-SW6X6（自制）電容C1-C6CapMiscellaneousDevices.IntLibC1608-06038.1.3設(shè)計PCB時考慮的因素電氣輪廓規(guī)劃螺紋孔：焊盤排插位置排插位置8.1.3設(shè)計PCB時考慮的因素接線柱邊沿等高等間距相隔9mm強電開關(guān)板大電流信號器件集中布局小電流信號器件背面集中布局開槽隔離不同強電信號開槽隔離強弱電之間兩模塊布局正面/背面器件8.1.3設(shè)計PCB時考慮的因素按鍵4個角落邊沿5mm位置弱電控制板開槽比天線面積大主控模塊相對居中兩模塊布局正面/背面器件8.1.3設(shè)計PCB時考慮的因素

布線采用手工和自動布線相結(jié)合方式進行，全局線寬為0.254mm，兩個電路連接處使用手工布線；強電開關(guān)板大電流部分加大線寬為3mm，并進行露銅設(shè)置；AC-DC電路為高電壓轉(zhuǎn)低電壓電路，輸入信號適當加大線寬為1mm，與其他信號做好隔離，降低干擾；地線網(wǎng)絡(luò)不單獨布線，全板覆銅方式實現(xiàn)，其他網(wǎng)絡(luò)連線按網(wǎng)絡(luò)類進行自動布線。8.2.1從原理圖加載網(wǎng)絡(luò)表和元器件封裝到PCB

1.規(guī)劃PCB

采用公制規(guī)劃尺寸，捕獲網(wǎng)格和元件網(wǎng)格X/Y尺寸設(shè)置為0.1mm，執(zhí)行菜單“放置”→“直線”在KeepOutLayer層繪制兩個電路板的電氣輪廓電氣輪廓。兩個輪廓內(nèi)容對應(yīng)位置，在TopOverLay各放置一個5.1mm×12.8mm的方形。

執(zhí)行菜單“放置”→“焊盤”命令，按下“Tab”按鍵，在彈出的“焊盤”對話框中修改“孔徑”、“X-尺寸”、“Y-尺寸”，分別放置8個2mm和兩個5mm的螺紋孔。

規(guī)劃完畢，保存PCB文件。任務(wù)8.2智能開關(guān)PCB布局

2.設(shè)置元器件庫本項目中元器件在MiscellaneousConnectors.IntLib、MiscellaneousDevices.IntLib、ZetexDiscreteBJT.IntLib和自制的元器件封裝庫“智能開關(guān).PCBLIB”設(shè)置為當前庫，以滿足項目所有元器件封裝的需求。

3.從原理圖加載網(wǎng)絡(luò)表和封裝到PCB對原理圖文件進行編譯，檢查并修改錯誤。執(zhí)行菜單“設(shè)計”→“UpdatePCBDocument智能開關(guān).PCBDOC”加載網(wǎng)絡(luò)表和元器件封裝，當無原則性錯誤后，單擊“執(zhí)行變化”按鈕將元器件封裝和網(wǎng)絡(luò)表添加到PCB編輯器中。單擊無錯誤單擊8.2.2PCB模塊化布局及手工調(diào)整

1.模塊化布局

在集成度高、系統(tǒng)復(fù)雜的智能產(chǎn)品中，PCB布局應(yīng)該具有模塊化的思維，即無論是在硬件原理圖的設(shè)計還是在PCB布線中均使用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法。作為硬件設(shè)計人員，在了解系統(tǒng)整體架構(gòu)的前提下，首先應(yīng)該在原理圖和PCB布線設(shè)計中融合模塊化的設(shè)計思想，結(jié)合PCB的實際情況，規(guī)劃好對PCB進行布局的基本思路。1.執(zhí)行菜單“視窗”→“垂直排列”，平鋪兩個窗口2.執(zhí)行菜單“工具”→“切換快速交叉選擇模式”3.執(zhí)行菜單“工具”→“放置元件”→“矩形區(qū)內(nèi)部擺列”4.重復(fù)同樣的方法，完成所有的模塊化布局模塊1模塊2模塊3模塊45.模塊1和模塊3的封裝器件，用全局修改設(shè)置為底層元器件兩個接口插座放置在規(guī)劃區(qū)域，注意兩個方向要保持一致。2.預(yù)布局調(diào)整SD1和SD6距離兩邊的邊沿均為4.5mm，其他接線柱按順序等高等間距排列。預(yù)布局完成后，將布局好的元器件鎖定。四個按鍵分布在弱電板的四個角落，離邊沿5mm位置。3.手工布局調(diào)整對于處于鎖定狀態(tài)的元器件必須在“properties”對話框中去除鎖定狀態(tài)后才能移動。8.2.3網(wǎng)絡(luò)類的創(chuàng)建與使用網(wǎng)絡(luò)類就是指把一些網(wǎng)絡(luò)分在一個類別里。如某些網(wǎng)絡(luò)都具有一些特性需要進行特定的規(guī)則限制，比如電源、差分、等長等，就把這些網(wǎng)絡(luò)放置在同一個類里面，一次性對這個類進行規(guī)則設(shè)置，既便于操作，又便于電路理解。

執(zhí)行菜單“設(shè)計”→“對象類”命令，屏幕彈出“對象類資源管理器”對話框可以對電路的類進行管理。

內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)添加移除網(wǎng)絡(luò)類名稱右鍵單擊圖8-14追加類

本例中涉及兩個電路板，兩個電路板之間存在著連接，它們之間連接的網(wǎng)絡(luò)+5V、IO0、IO1、IO2、IO3,歸為“連接Ⅰ類”；弱電主控板中除Ⅰ類網(wǎng)絡(luò)，其他網(wǎng)絡(luò)歸為“弱電板類”；強電開關(guān)板中大電流的網(wǎng)絡(luò)L、OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，歸為“大電流類”；220V的進線和AC-DC模塊之間的網(wǎng)絡(luò)L、N、NetF1-1，歸為“連接Ⅱ類”，除兩個連接類和大電流類外，其他網(wǎng)絡(luò)歸為“小電流類”；GND網(wǎng)絡(luò)單獨不歸類。

網(wǎng)絡(luò)類設(shè)置完畢，可以在PCB選項卡中觀察相關(guān)信息。單擊屏幕的“PCB”標簽，選擇“Nets”，此時工作區(qū)面板上將顯示所有網(wǎng)絡(luò)類、網(wǎng)絡(luò)類對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的節(jié)點信息及PCB預(yù)覽圖。選中網(wǎng)絡(luò)類選中對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)顯示所有節(jié)點顯示PCB局部細節(jié)8.2.4

開槽設(shè)置

在設(shè)計中，強弱電流之間或不同的強電流之間，單獨使用PCB材料能承受一定的耐壓，長期使用后易沾染灰塵和潮氣，耐壓顯著降低，使得爬電距離減少，PCB板易產(chǎn)生電流甚至電弧，在PCB上開槽后直接采用空氣隔離，一定程度上能保證耐壓。線槽圓弧槽方形槽首先選擇層為Keep-OutLayer線槽：執(zhí)行菜單“放置”→“直線”，放置“線寬”為1mm直線方形槽：放置一個長寬為20mm×10mm的大方形槽圓弧槽：“放置”→“圓弧（任意角度）”，根據(jù)實際情況調(diào)整圓弧長度在進行自動布線前，首先要設(shè)置布線規(guī)則，布線規(guī)則設(shè)置的合理性將直接影響到布線的質(zhì)量和成功率。設(shè)計規(guī)則制定后，系統(tǒng)將自動監(jiān)視PCB，檢查PCB中的圖件是否符合設(shè)計規(guī)則，若違反了設(shè)計規(guī)則，將以高亮顯示違規(guī)內(nèi)容。執(zhí)行菜單“設(shè)計”→“規(guī)則”，屏幕彈出“PCB規(guī)則和約束編輯器”對話框。

任務(wù)8.3常用自動布線設(shè)計規(guī)則設(shè)置規(guī)則列表規(guī)則類型分類規(guī)則單擊可打開或收起規(guī)則列表各類規(guī)則的詳細內(nèi)容本例中要設(shè)置的規(guī)則主要集中在“Electrical”（電氣設(shè)計規(guī)則）類別和“Routing”（布線設(shè)計規(guī)則）類別中。

1.電氣設(shè)計規(guī)則（Electrical）：電氣設(shè)計規(guī)則是PCB布線過程中所遵循的電氣方面的規(guī)則，主要用于DRC電氣校驗。電氣設(shè)計規(guī)則4個子規(guī)則1）安全間距規(guī)則。用于設(shè)置PCB上不同網(wǎng)絡(luò)的導線、焊盤、過孔及覆銅等導電圖形之間的最小間距。安全間距規(guī)則子規(guī)則名稱對象選擇設(shè)置參數(shù)

2）短路約束規(guī)則。用于設(shè)置PCB上的導線等對象是否允許短路。系統(tǒng)默認的短路約束規(guī)則是不允許短路。

有些地線有特殊需要，讓兩個不同網(wǎng)絡(luò)的地線需要連接一起。去除選中狀態(tài)3)Un-RoutedNet（未布線網(wǎng)絡(luò)規(guī)則）。用于檢查指定范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)是否已布線，對于未布線的網(wǎng)絡(luò)，使其仍保持飛線。一般使用系統(tǒng)默認的規(guī)則，即適用于整個網(wǎng)絡(luò)。4）Un-ConnectedPin（未連接引腳規(guī)則）。用于檢查指定范圍內(nèi)的元器件封裝引腳是否均已連接到網(wǎng)絡(luò)，對于未連接的引腳給予警告提示，顯示為高亮狀態(tài)，系統(tǒng)默認狀態(tài)為不使用該規(guī)則。

2.布線設(shè)計規(guī)則（Routing）在“PCB規(guī)則及約束編輯器”的規(guī)則列表欄中單擊“Routing”選項，系統(tǒng)列表展開所有的布線設(shè)計規(guī)則。布線設(shè)計規(guī)則7個子規(guī)則

1）導線寬度限制規(guī)則。設(shè)置自動布線時印制導線的寬度范圍，定義最小寬度（MinWidth）、最大寬度（MaxWidth）和優(yōu)選尺寸（PreferredWidth），單擊寬度欄并鍵入數(shù)值即可對其進行設(shè)置。此處修改僅對當前層有效此處修改對所有信號層有效導線寬度限制規(guī)則設(shè)置對象增加或刪除規(guī)則右鍵單擊規(guī)則名稱多個不同規(guī)則設(shè)置優(yōu)先級

由于設(shè)置了多個不同的線寬限制規(guī)則，必須設(shè)定它們的優(yōu)先級，以保證布線的正常進行。

選中規(guī)則，單擊“增加優(yōu)先級”或“減小優(yōu)先級”按鈕可以改變線寬限制規(guī)則的優(yōu)先級，本例中優(yōu)先級最低的是“All”。

2)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)規(guī)則。主要設(shè)置自動布線時布線的拓撲結(jié)構(gòu)，它決定了同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點間的走線方式。在實際電路中，對不同信號網(wǎng)絡(luò)可能需要采用不同的布線方式。

3）布線優(yōu)先級規(guī)則。用于設(shè)置某個對象的布線優(yōu)先級，在自動布線過程中，具有較高布線優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò)會被優(yōu)先布線。0-100數(shù)值越大，優(yōu)先級越高

4）布線層規(guī)則。主要用于設(shè)置自動布線時所使用的工作層面。雙面板選擇單面板選擇一層，一般選擇底層

5）布線轉(zhuǎn)角規(guī)則。主要是在自動布線時規(guī)定印制導線拐彎的方式。設(shè)置導線最大拐角三種拐彎的方式

6）過孔類型規(guī)則。用于設(shè)置自動布線時所采用的過孔類型，可以設(shè)置規(guī)則適用的范圍和過孔直徑和孔徑大小等。3.本項目中自動布線規(guī)則設(shè)置

安全間距規(guī)則設(shè)置：全部對象為0.254mm；短路約束規(guī)則：不允許短路；布線轉(zhuǎn)角規(guī)則：45°；導線寬度限制規(guī)則：設(shè)置3個規(guī)則，“All”設(shè)置為最小0.254mm、最大3mm、首選0.254mm，“大電流類”網(wǎng)絡(luò)類設(shè)置為最小1mm、最大3mm、優(yōu)選3mm，“+5V”網(wǎng)絡(luò)類設(shè)置均為1mm；布線層規(guī)則：選中BottomLayer和TopLayer進行雙面布線；過孔類型規(guī)則：過孔直徑1.2mm，過孔孔徑0.7mm；其它規(guī)則選擇默認。制作團隊：郭勇、陳開洪、吳榮海任務(wù)

8.4STM32功能板PCB布線8.4.1手動預(yù)布線任務(wù)8.2智能開關(guān)PCB布局“連接Ⅰ”網(wǎng)絡(luò)線寬0.254mm“連接Ⅱ”網(wǎng)絡(luò)線寬1mm底層布線執(zhí)行“設(shè)計”→“規(guī)則”命令，根據(jù)要求設(shè)置線寬執(zhí)行“放置”→“交互式布線”命令，進行布線穩(wěn)壓模塊位置有開槽，焊盤上下需連接。執(zhí)行“放置”→“圓?。ㄈ我饨嵌龋泵钸M行連線。

2.鎖定預(yù)布線針對已經(jīng)進行的預(yù)布線，如果要在自動布線時保留這些預(yù)布線，可以在自動布線器選項中設(shè)置鎖定所有預(yù)布線。執(zhí)行菜單“布線”→“設(shè)定”命令，屏幕彈出“Situs布線策略”對話框。修改規(guī)則顯示已設(shè)置的布線設(shè)計規(guī)則單擊12種可選布線策略6種8.4.2自動布線

預(yù)布線和布線規(guī)則設(shè)置完畢，就可以利用軟件提供的自動布線功能進行自動布線。在PCB編輯器中，執(zhí)行菜單“自動布線”下的菜單命令來實現(xiàn)。1.自動布線菜單命令2.網(wǎng)絡(luò)類自動布線本例中GND網(wǎng)絡(luò)不進行布線，因此選擇網(wǎng)絡(luò)類自動布線。執(zhí)行菜單“自動布線”→“網(wǎng)絡(luò)類”命令，屏幕彈出“ChooseObjectClassToRoute（選擇布線目標類）”對話框。單擊選擇單擊布線8.4.3PCB布線手工調(diào)整1.觀察窗口的使用自動布線完畢需檢查布線效果，放大工作區(qū)后可以在工作區(qū)左側(cè)的監(jiān)視器中拖動觀察窗來查看局部電路，找到問題進行修改。圖8-38通過觀察窗口查看局部PCB走線方向扇出方向拖動觀察2.拆除布線調(diào)整布線常常需要拆除以前的布線，PCB編輯器中提供有自動拆線功能和撤消功能，當用戶對自動布線的結(jié)果不滿意時，可以使用該工具拆除電路板圖上的銅膜線而只剩下網(wǎng)絡(luò)飛線。（1）撤消操作PCB編輯器中提供有撤消功能，單擊主工具欄圖標，可以撤消本次操作。通過撤消操作，用戶可以根據(jù)布線的實際情況考慮是否保留當前的內(nèi)容，如果要恢復(fù)前次的操作，可以單擊主工具欄圖標。（2）自動拆線該功能可以拆除自動布線后的銅膜線，將布線后的銅膜線恢復(fù)為網(wǎng)絡(luò)飛線，這樣便于用戶進行調(diào)整，它是自動布線的逆過程。自動拆線的菜單命令在“工具”→“取消布線”的子菜單中。3.環(huán)路移除布線在自動布線結(jié)束后，常有部分連線不夠理想，若連線較長，全部刪除后重新布線比較麻煩，此時可以采用AltiumDesigner19提供的環(huán)路移除布線功能，對線路進行局部調(diào)整。進入交互式布線狀態(tài)，選擇要重新布線的兩個點，單擊鼠標左鍵重新進行布線，布線結(jié)束單擊鼠標右鍵，原有的線路將會被移除，留下新的線路。4.手工布線調(diào)整

執(zhí)行菜單“放置”→“交互式布線”，拆除需要調(diào)整的元器件上的連線；減小元器件網(wǎng)格，適當微調(diào)元器件位置，并對拆除的連線重新進行布線。手工布線調(diào)整后的PCB

5.放置接地覆銅執(zhí)行菜單“設(shè)計”→“規(guī)則”命令

執(zhí)行菜單“放置”→“覆銅”命令

覆銅后PCB頂層視圖覆銅后PCB底層視圖8.4.4

露銅設(shè)置

銅箔露銅一般是為了在過錫時能上錫，增大銅箔厚度，增大帶電流的能力，或者用于連接貼片元件的散熱引腳，通常應(yīng)用于電流比較大或散熱較大的場合。

本本例中露銅主要為過錫使用，在大電流類網(wǎng)絡(luò)設(shè)置露銅。

將工作層切換到TopSolder（頂層阻焊層），執(zhí)行菜單“放置”→“直線”命令，修改線寬為3mm，在相應(yīng)的連線處，開始放置直線。這樣在制板時該區(qū)域不會覆蓋阻焊漆，而是露出銅箔。工作層切換到TopSolder（頂層阻焊層）執(zhí)行“放置”→“直線”命令，原線路位置放置線設(shè)置露銅區(qū)域露銅效果1.實訓目的1）掌握雙面PCB布局布線的基本原則2）掌握PCB自動布局、自動布線規(guī)則的設(shè)置。3）掌握預(yù)布局、預(yù)布線的方法。4）掌握露銅的使用。技能實訓10智能開關(guān)PCB設(shè)計2.實訓內(nèi)容1）事先準備好圖8-2所示的智能開關(guān)原理圖文件，并熟悉電路原理。2）進入PCB編輯器，新建PCB文件“智能開關(guān).PCBDOC”，新建元器件庫“智能開關(guān).PcbLib”，參考圖8-3～圖8-9設(shè)計主控模塊、輕觸按鍵、穩(wěn)壓芯片、馬蹄形接線柱、繼電器、電源模塊的封裝。3）載入MiscellaneousDevice.IntLIB、MiscellaneousConnectors.IntLib、ZetexDiscreteBJT.IntLib和自制的智能開關(guān).PcBLib元器件庫。4）編輯原理圖文件，參考表8-1重新設(shè)置好元器件的封裝。5）切換單位制為公制，設(shè)置捕獲網(wǎng)格和元件網(wǎng)格的X/Y均為0.1mm，可視網(wǎng)格標記為Line，網(wǎng)格2為1mm。6）參考圖8-10規(guī)劃PCB，兩個電氣輪廓分別為54mm×60mm和79mm×79mm。7）參考圖8-10放置螺紋孔。在兩塊板上放置8個2mm的螺紋孔，在弱電主控板離邊沿5mm的中部位置，各放置一個5mm的螺紋孔。8）打開智能開關(guān)原理圖文件，執(zhí)行菜單“設(shè)計”→“UpdatePCBDocument智能開