《Altium Designer 19原理圖與PCB設計速成》課件-第9章 PCB板的自動布局與自動布線

9.1PCB板的自動布線流程9.3印制電路板的規(guī)劃9.4原理圖網(wǎng)絡表的加載9.5自動布局及手工布局調(diào)整9.6自動布線規(guī)則設置9.7自動布線的策略設置9.8PCB板的自動布線與3D顯示9.1PCB板的自動布線流程PCB板的自動布線，就是通過計算機自動將原理圖中元器件間的邏輯連接轉(zhuǎn)換為PCB銅箔連接。PCB板的自動化設計實際上是一種半自動化的設計過程，還需要人工的干預才能設計出合格的PCB板。PCB板自動布線的流程如下：(1)繪制電路原理圖，生成網(wǎng)絡表。(2)在PCB板中，規(guī)劃印制電路板。(3)加載原理圖網(wǎng)絡表。(4)自動布局規(guī)則設置。(5)自動布局及手工布局調(diào)整。(6)自動布線規(guī)則設置。(7)自動布線。(8)手工布線調(diào)整及標注文字調(diào)整。(9)采用打印機或繪圖儀輸出電路板圖。9.3印制電路板的規(guī)劃繪制電路原理圖并生成網(wǎng)絡表后，應設置工作層和布局范圍。該PCB板采用雙面板，需要加載的板層如圖9-2所示，板層至少有頂層、底層、機械層、頂層絲印層、禁止布線層和多層。元件布局范圍屬于PCB大小，在機械層繪制物理邊界，在禁止布線層設置電氣邊界。設置相對坐標原點，在禁止布線層繪制一個2400mil×1680mil的矩形框，在機械層繪制物理邊界2500mil?×?1780mil。9.4原理圖網(wǎng)絡表的加載9.4.1導入工程項目裝入網(wǎng)絡表文件(1)選擇主菜單“設計”→“ImportChangeFrom過壓監(jiān)視電路.PrjPcb”，打開工程變更指令對話框，如圖9-3所示。(2)如“警告”區(qū)顯示“編譯工程時發(fā)生錯誤！”，則單擊“警告”右側(cè)的“在繼續(xù)之前點擊此處進行檢查”，彈出如圖9-4所示的編譯信息對話框。查看錯誤情況，并進行修改。有些錯誤不是致命錯誤，可以放置“NoERC”標志，忽略檢查。(3)修改完成后，單擊圖9-3中的按鈕，顯示如圖9-5所示的工程變更指令對話框。在該對話框的狀態(tài)區(qū)域“檢測”欄中將會顯示檢查結(jié)果，有標記的，表明對網(wǎng)絡表和元器件封裝的檢查是正確的；若出現(xiàn)標記，表明檢查有錯誤存在。查看狀態(tài)區(qū)域“消息”欄顯示的錯誤原因，進行修改。(4)原理圖修改之后，重新產(chǎn)生網(wǎng)絡表。(5)再次執(zhí)行主菜單命令“設計”→“ImportChangeFrom過壓監(jiān)視電路.PrjPcb”，打開工程變更指令對話框，單擊【驗證變更】按鈕，查看“檢測”狀態(tài)是否全部正確。(1)～(5)過程反復進行，直到狀態(tài)區(qū)域“檢測”欄全部顯示為為止，如圖9-9所示。(6)單擊按鈕，將網(wǎng)絡表及元器件封裝裝入PCB文件中。如果裝入正確，則在狀態(tài)區(qū)域的“完成”欄中顯示綠色的對號標志，如圖9-10所示。(7)單擊按鈕，彈出報告預覽對話框，如圖9-11所示，可以導出、打印該報告。(8)單擊

按鈕，退出工程變更指令對話框，可以發(fā)現(xiàn)所裝入的網(wǎng)絡表與元器件封裝放置在PCB編輯器中規(guī)劃的電氣邊界之外的“Room”中，并且以飛線的形式顯示網(wǎng)絡和元器件封裝之間的連接關系。裝入的網(wǎng)絡表與元器件封裝的效果如圖9-12所示。(9)移動“Room”，元器件將隨“Room”一起移動，放到編輯區(qū)域中心。9.4.2原理圖中直接更新PCB文件并裝入網(wǎng)絡表AltiumDesigner19提供了類似同步器的更新功能，它能很方便快捷地把原理圖的網(wǎng)絡表裝入PCB編輯器中，且當原理圖進行修改(如修改某元器件的封裝或連線關系等)后，使用更新功能會自動更新該原理圖所對應的PCB文件的信息。反之，如果改變了PCB文件中的信息，使用更新功能也會自動更新該PCB文件對應的原理圖中的信息。利用更新功能，由原理圖更新PCB，裝入“過壓監(jiān)視電路”網(wǎng)絡表的步驟如下：(1)在原理圖所在的工程項目中，添加PCB文檔，同樣命名為“過壓監(jiān)視電路.PcbDoc”。(2)將工作界面切換到電路原理圖編輯器，執(zhí)行菜單命令“設計”→“UpdatePCBDocument過壓監(jiān)視電路.PcbDoc”，如圖9-13所示，彈出工程變更指令對話框。之后的操作與錯誤修改和9.4.1節(jié)介紹的方法相同。9.5自動布局及手工布局調(diào)整9.5.1元件布局原則在PCB電路單元中，元器件的位置安排稱為元器件布局，合理的布局能夠保證電路技術指標的實現(xiàn)和電路的穩(wěn)定可靠工作。盡管印制板的形狀及結(jié)構(gòu)很多，功能各異，元器件數(shù)目、類型也各不相同，但印制板元器件布局還是有章可循的。下面介紹布局時應遵循的原則：(1)元器件位置的安排。(2)元件布局要有利于維修、安裝和拆卸。(3)元件放置方向。(4)元件間距。(5)熱敏元件要盡量遠離大功率元件。(6)電路板上重量較大的元件應盡量靠近印制電路板的支撐點，使印制電路板的翹曲度降至最小。(7)對于需要調(diào)節(jié)的元件，如電位器、微調(diào)電阻、可調(diào)電感等的安裝位置，應充分考慮整機結(jié)構(gòu)要求；對于需要機外調(diào)節(jié)的元件，其安裝位置與調(diào)節(jié)旋鈕在機箱面板上的位置要一致；對于機內(nèi)調(diào)節(jié)的元件，其放置位置以打開機蓋后可方便調(diào)節(jié)為原則。(8)在布局時，IC去耦電容要盡量靠近IC芯片的電源和地線管腳，否則濾波效果會變差。(9)時鐘電路元件應盡量靠近CPU時鐘管腳。(10)排列元件時，應注意其接地方法和接地點。9.5.2自動布局規(guī)則設置如果加載網(wǎng)絡表后直接進行自動布局，系統(tǒng)將使用默認設置規(guī)則。用戶也可以根據(jù)實際電路，設置布局規(guī)則。自動布局規(guī)則設置的方法有兩種：一種利用規(guī)則向?qū)ё约簞?chuàng)建新的規(guī)則，另一種是系統(tǒng)默認的規(guī)則進行修改。自動布局設計規(guī)則操作如下：在PCB設計環(huán)境下，執(zhí)行菜單命令“設計”→“規(guī)則”，如圖9-14所示。打開“PCB規(guī)則及約束編輯器”對話框，如圖9-15所示。合理設置選項可以使各項規(guī)則更加完善。該對話框的左邊列表中“DesignRules”包含了10類設計規(guī)則，分別是“Electrical”(電氣規(guī)則)、“Routing”(布線參數(shù))、“SMT”(貼片式元件規(guī)則)、“Mask”(屏蔽層規(guī)則)、“Plane”(內(nèi)層規(guī)則)、“Testpoint”(測試點規(guī)則)、“Manufacturing”(制板規(guī)則)、“HighSpeed”(高速驅(qū)動，主要用于高頻電路設計)、“Placement”(布局規(guī)則)、“SignalIntegrity”(信號完整性分析規(guī)則)。9.5.3手工定位元件用戶可以在自動布局之前，先把一些元件的位置固定下來，在自動布局時，不再對這些元件進行布局，這就是手工定位元件，也稱元件的預布局。手工定位元件的具體操作步驟如下：(1)在裝入網(wǎng)絡表后，執(zhí)行菜單命令“編輯”→“移動”→“器件”，光標變成十字形，移動光標到需要定位的元件上，單擊鼠標左鍵，元件隨光標移動。(2)將元件移動到需要定位的位置處，單擊左鍵放下元件；點擊右鍵取消移動命令。(3)鼠標左鍵雙擊元件，彈出元件屬性對話框，如圖9-25所示。移動鎖定元件時將出現(xiàn)如圖9-26所示的對話框，提醒該元件處于鎖定狀態(tài)，無法操作。9.5.4自動布局設置自動布局規(guī)則之后，就可以執(zhí)行自動布局操作了。自動布局的操作步驟如下：執(zhí)行菜單命令“工具”→“器件擺放”，如圖9-27所示，選擇擺放類型。1.按“按照Room排列”布局2.按“在矩形區(qū)域排列”布局3.按“排列板子外的器件”布局9.5.5手工布局調(diào)整自動布局完成后，一般不能完全符合電路板設計要求。例如，系統(tǒng)沒有充分利用空間，元器件之間存在干擾，部分元件布置不合理等，用戶可以進一步手工完成調(diào)整。調(diào)整方法如下：1.元件方位的調(diào)整2.排列相同封裝的元器件在PCB板上，通常把相同封裝的元器件排列在一起，如電阻、電容等。若PCB板上這類元器件比較多，依次調(diào)整比較麻煩，則可以采用各種技巧。具體操作如下：(1)執(zhí)行菜單命令“編輯”→“查找相似對象”，鼠標變成十字形。(2)移動鼠標，選中一個元件，單擊鼠標左鍵，系統(tǒng)彈出查找相似對象對話框，如圖9-33所示。(3)在對話框中的Footprint(封裝)欄中右側(cè)下拉選項中選中Same。(4)單擊按鈕，此時PCB中相同封裝的電阻都處于選中狀態(tài)。(5)采用自動布局方法布置這些元件。3.多個元件對齊排列4.元件的標號及注釋方位調(diào)整元件布局調(diào)整后，再將元件的標號、注釋方向及位置進行調(diào)整，期間可以反復調(diào)整柵格的大小，以使元件能在柵格上對齊，元件標號、注釋與元件輪廓處于合理位置。調(diào)整后的效果如圖9-35所示。9.5.6原理圖和PCB的交互查看(1)分別在原理圖編輯界面和PCB編輯界面執(zhí)行菜單命令“工具”→“交叉選擇模式”，如圖9-36所示。(2)如果在原理圖中選擇某個元件(555)，PCB界面相應的元件會被選中，如圖9-37所示。9.6自動布線規(guī)則設置9.6.1布線的一般原則1.電源線設計根據(jù)電路板電流的大小，盡量加大電源線的寬度，減小環(huán)路電阻和電壓降。電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向應一致，這樣可以減小干擾。電源總線盡量靠近地線。2.地線設計公共地線布置在板的邊緣，便于與機架連接。導線與電路板邊緣應留出一定的距離，便于安裝導軌和進行機械加工，提高絕緣性能。數(shù)字電路的地與模擬電路的地應盡量分開，它們的供電系統(tǒng)也要完全分開。電路板上每級電路的地線應自成封閉回路，以保證每級電路的地電流主要在本級地回路中流通，減少級間地電流耦合。3.信號線設計總線必須嚴格按照高頻→中頻→低頻，一級級按弱電到強電的順序排列連接，如有不當容易引起自激。高頻電路常采用大面積包圍式地線，以保證有良好的屏蔽效果。低頻導線應靠近電路板的邊沿布置。高電位導線和低電位導線應盡量遠離，使相鄰的導線間電位差最小。采用信號線和地線交錯排列或地線包圍信號線，以達到良好的抗干擾作用。采用雙信號帶狀線時，相鄰的兩層信號線不宜平行布設，最好采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，或斜交、彎曲走線，避免相互平行走線。4.在布線過程中必須遵循的規(guī)律(1)印制導線轉(zhuǎn)折點內(nèi)角不能小于90°，一般選擇135°或圓角；導線與焊盤、過孔的連接處要圓滑，避免出現(xiàn)小尖角。由于工藝原因，在印制導線的小尖角處，印制導線的有效寬度小，電阻大。另外，小于135°的轉(zhuǎn)角會使印制導線的總長度增加，也不利于減小印制導線的寄生電阻和寄生電感。(2)導線與焊盤、過孔必須以45°或90°相連。(3)在雙面、多面印制板中，上下兩層信號線的走線方向要相互垂直或斜交叉，盡量避免平行走線；對于數(shù)字、模擬混合系統(tǒng)來說，模擬信號走線和數(shù)字信號走線應分別位于不同面內(nèi)，且走線方向垂直，以減少相互間的信號耦合。(4)在數(shù)據(jù)總線之間可以加信號地線來實現(xiàn)彼此的隔離；為了提高抗干擾能力，小信號線和模擬信號線應盡量靠近地線，遠離大電流和電源線；數(shù)字信號既容易干擾小信號，又容易受大電流信號的干擾，布線時必須認真處理好數(shù)據(jù)總線的走線，必要時可加電磁屏蔽罩或屏蔽板；時鐘信號管腳最容易產(chǎn)生電磁輻射，因此走線時，應盡量靠近地線，并設法減小回路長度。(5)連線應盡可能短，尤其是電子管與場效應管柵極、晶體管基極以及在高頻回路中。(6)高壓或大功率元件應盡量與低壓小功率元件分開布線，即彼此電源線、地線分開走線，以避免高壓大功率元件通過電源線、地線的寄生電阻(或電感)干擾小元件。(7)數(shù)字電路、模擬電路以及大電流電路的電源線、地線必須分開走線，再接到系統(tǒng)電源線、地線上，形成單點接地形式。(8)在高頻電路中必須嚴格限制平行走線的最大長度。(9)在雙面電路板中，由于沒有地線層屏蔽，因此應盡量避免在時鐘電路下方走線。(10)選擇合理的連線方式。為了便于比較，圖9-38給出了合理及不合理的連線方式。9.6.2自動布線的Electrical規(guī)則設置Electrical(電氣)規(guī)則主要針對具有電氣特性的對象，用于系統(tǒng)的DRC電氣校驗。當布線過程中違反電氣特性規(guī)則時，DRC校驗器將自動提示用戶。執(zhí)行菜單命令“設計”→“規(guī)則”，在彈出的PCB規(guī)則及約束編輯器對話框中，單擊選項，彈出電氣設計規(guī)則設置對話框，如圖9-39所示。1.?Clearance(走線間距約束)規(guī)則該項規(guī)則主要用于設置PCB中導線與導線、導線與焊盤、焊盤與焊盤等電氣對象之間的最小安全距離，如圖9-40所示。2.?Short-Circuit(短路)規(guī)則該項規(guī)則主要用于設置短路的導線是否允許出現(xiàn)在PCB中，如圖9-41所示。3.?Un-RoutedNet(未布線網(wǎng)絡)規(guī)則該項規(guī)則主要用于檢查PCB中指定范圍內(nèi)的網(wǎng)絡是否已經(jīng)完成布線，若沒有布線完成，則剩余布線以飛線的形式保持，如圖9-42所示。4.?Un-ConnectedPin(未連接管腳)規(guī)則該項規(guī)則主要用于檢查指定范圍內(nèi)的元器件管腳是否連接到網(wǎng)絡上。如果有未連接的管腳，則給予警告提示。系統(tǒng)在默認設置中沒有此規(guī)則。右鍵單擊

，可添加規(guī)則，如圖9-43所示。5.?ModifiedPolygon(修改后多邊形)規(guī)則UnpouredPolygon(未覆銅區(qū)域)?！凹s束”項中有兩個復選框：允許隱藏顯示、允許修改。選中該復選框即對沒有覆銅的多邊形可以隱藏顯示、修改，如圖9-44所示。9.6.3自動布線的Routing規(guī)則設置Routing(布線)規(guī)則是系統(tǒng)在進行自動布線時的主要依據(jù)，該設置是否合理將直接影響自動布線的質(zhì)量及布通率的高低。執(zhí)行菜單命令“設計”→“規(guī)則”，在彈出的PCB規(guī)則及約束編輯器對話框中單擊選項，彈出Routing(布線)規(guī)則，如圖9-45所示，主要有8項規(guī)則。1.?Width(布線寬度)規(guī)則該項規(guī)則主要用于設置布線寬度。布線寬度指PCB上銅箔線的寬度。2.RoutingTopology(布線拓撲結(jié)構(gòu))規(guī)則該項規(guī)則用來設置布線的拓撲結(jié)構(gòu)。拓撲結(jié)構(gòu)是指以焊盤為點，以連接各焊盤的導線為線，由點和線構(gòu)成的幾何圖形。3.?RoutingPriority(布線優(yōu)先級)規(guī)則該項規(guī)則用于設置各布線網(wǎng)絡的優(yōu)先級(布線的先后順序)。系統(tǒng)提供的優(yōu)先級別比較多，數(shù)字0代表優(yōu)先級最低，數(shù)字越大，優(yōu)先級別越高。4.?RoutingLayers(布線層)規(guī)則該項規(guī)則用于設置自動布線過程中各網(wǎng)絡允許布線的工作層。5.?RoutingCorners(走線拐角)規(guī)則該項規(guī)則主要用于設置布線時拐角的形狀及拐角走線垂直距離的最小值和最大值。6.?RoutingViaStyle(布線過孔樣式)規(guī)則該項規(guī)則用于設置過孔的外徑(Diameter)和內(nèi)徑(HoleSize)的尺寸。7.?FanoutControl(扇出布線控制)規(guī)則該項規(guī)則用于對貼片式元器件進行扇出式布線控制設置。8.?DifferentialPairsRouting(差分對布線)規(guī)則該項規(guī)則主要用于對一組差分對設置相應的參數(shù)。9.7自動布線的策略設置執(zhí)行菜單命令“布線”→“自動布線”→“設置”，如圖9-66所示。打開Situs布線策略對話框，如圖9-67所示。該對話框分為上下兩部分，分別是“布線設置報告目錄”窗口和“布線策略”窗口。對話框中列出了6種默認的自動布線策略，對默認布線策略不能進行編輯和刪除操作。(1)“布線設置報告目錄”區(qū)域。該區(qū)域用于對布線規(guī)則的設置及其受影響的對象進行匯總，并進行規(guī)則編輯。目錄下列出了詳細的布線規(guī)則，并以超鏈接的方式，將列表中的各項鏈接到規(guī)則設置欄，用戶可以隨時進行查看和修改。(2)“布線策略”區(qū)域。該區(qū)域用于設置可用的布線策略，對話框中列出了6種默認的自動布線策略，對默認布線策略不能進行編輯和刪除操作。(3)單擊【添加】按鈕，可以增加新的布線策略。(4)鎖定已有布線：選中該項，可以將PCB板中原有的預布線鎖定，重新布線時將不會改變這些部分的布線。布線后消除沖突：選中該項，再重新布線后，系統(tǒng)將自動刪除原有的布線，以避免布線重疊。設置完成后，單擊【確定】按鈕，保存退出，就可以運行布線了。9.8PCB板的自動布線與3D顯示9.8.1自動布線的運行執(zhí)行菜單命令“布線→自動布線”，彈出布線下拉菜單，如圖9-66所示。自動布線的命令全部集中在“自動布線”子菜單中，使用這些命令，用戶可以指定自動布線的不同范圍，并且可以控制自動布線的有關進程，如終止、暫停、重置等。下面介紹菜單中各項的功能。(1)全部：對整個電路板進行自動布線。(2)網(wǎng)絡：對選中的網(wǎng)絡進行自動布線。執(zhí)行該命令后，光標變成十字形，移動光標到PCB編輯區(qū)內(nèi)，選擇所要布通的網(wǎng)絡(可以選擇屬于該網(wǎng)絡的其中一條飛線或某個焊盤)，單擊鼠標左鍵，則選中的網(wǎng)絡被自動布線。(3)網(wǎng)絡類：可對指定網(wǎng)絡類進行自動布線。(4)連接：對所選中的飛線自動布線。執(zhí)行菜單命令后，光標變成十字形，移動光標到要布線的飛線上，單擊鼠標左鍵，僅對該飛線進行布線，而不是對該飛線所在的網(wǎng)絡進行布線。(5)區(qū)域：對所選擇的區(qū)域進行布線。執(zhí)行該命令后，鼠標變成十字形，單擊左鍵框選區(qū)域進行布線。對所選中的區(qū)域內(nèi)所有的連接，只要該連接有一部分處于該區(qū)域即可對其進行布線(不管是焊盤還是飛線)。(6)Room：對所選擇的Room區(qū)域進行布線。(7)元件：對所選中的元件上所有的連接進行布線。(8)器件類：用于為指定的器件類進行布線，執(zhí)行該命令，彈出對話框進行設置。(9)選中對象的連接：先選中需要布線的對象，執(zhí)行該命令，與該對象相連接的所有線均可布通。(10)選擇對象之間的連接：選中的對象之間布線連通。(11)設置：設置布線策略。單擊彈出布線策略對話框，如圖9-67所示，在下方選擇某一項后，單擊“編輯規(guī)則”可以進行參數(shù)設置，設置完成后單擊【OK】按鈕。(12)停止：終止自動布線。(13)復位：重新設置自動布線規(guī)則及參數(shù)，對電路重新布線。(14)Pause(暫停)：暫停自動布線進程。9.8.2布線后的處理1.放置焊盤并連接網(wǎng)絡在電路板上放置焊盤，并將它們和相應的網(wǎng)絡連接起來。(1)在PCB圖中合適的位置，放置三個焊盤，與原理圖中的VCC、GND和Vx(輸入信號)對應。(2)設置焊盤屬性。雙擊焊盤調(diào)出屬性對話框，如圖9-71所示，在Net下拉框中選擇焊盤所在的網(wǎng)絡，如電源焊盤屬于VCC網(wǎng)絡，接地焊盤屬于GND，另一個屬于Vx網(wǎng)絡焊盤。設置完畢，會發(fā)現(xiàn)焊盤通過飛線與相應的網(wǎng)絡相連接，如圖9-72所示。(3)執(zhí)行自動布線命令“布線”→“自動布線”→“連線”，鼠標變成十字形，移動鼠標在連接焊盤的飛線上單擊，即可完成連接；或執(zhí)行手工布線命令“放置→交互布線”，完成焊盤與相應網(wǎng)絡的布線連接。2.改變導線寬度(1)加粗電源線、地線。在自動布線時，設置電源網(wǎng)絡(VCC)和接地網(wǎng)絡(GND)的導線線寬為40mil，其他網(wǎng)絡的線寬為20mil。(2)修改單條導線寬度。修改信號線寬度為35mil。首先在PCB規(guī)則及約束編輯器中，將導線的最大寬度設置為50mil，如果最大寬度小于即將修改導線的寬度，則無法完成修改操作。再將光標移動到需要修改的導線上(Vx)，雙擊該導線，彈出如圖9-75所示屬性對話框，修改Width為35mil，關閉對話框，修改后的導線顯示如圖9-76所示。3.調(diào)整布線對自動布線的結(jié)果如果不太滿意，可以取消以前的布線。系統(tǒng)提供5條取消布線的命令，如圖9-77所示。(1)全部：取消所有布線；(2)網(wǎng)絡：取消指定網(wǎng)絡的布線。(3)連接：取消指定連接的布線。(4)器件：取消指定器件的布線。(5)?Room：取消指定Room的布線。導線拆除后，可以采用手工布線的方法重新布線。4.調(diào)整與添加文字標注文字標注是指元件的標號、標稱值和對電路板進行標示的字符串。在電路板進行自動布局和自動布線后，文字標注的位置可能不合理，整體顯得較凌亂，需要對它們進行調(diào)整，并根據(jù)需要再添加一些文字標注。(1)調(diào)整文字標注。(2)添加文字標注。5.設置淚滴焊盤為了加固導線與焊盤的連接程度，減小導線與焊盤處的電阻，可以將特定區(qū)域的焊盤設置成淚滴焊盤。6.