基于Protel 99 SE環(huán)境下PCB設(shè)計規(guī)范與技巧的研究

摘要：隨著產(chǎn)品電路設(shè)計越來越復(fù)雜，PCB電路板設(shè)計的科學(xué)規(guī)范性及布局合理性就變的越來越重要。本文論述了基于Protel 99 SE軟件環(huán)境下，產(chǎn)品電路設(shè)計的主要設(shè)計規(guī)范和一些實用的布線技巧。從而提高PCB的設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計效率和PCB的可生產(chǎn)性、可測試性及可維護性。
關(guān)鍵詞：Protel 99 SE；PCB；設(shè)計規(guī)范；布線技巧

Protel 99 SE是Altium公司最為代表性和普遍性的一款功能強大、深受電路設(shè)計者歡迎使用的EDA設(shè)計系統(tǒng)軟件。它是將電路原理圖設(shè)計、PCB板圖設(shè)計、電路仿真和PLD設(shè)計等多個實用工具軟件組合后構(gòu)成的EDA工作平臺，為用戶提供全線的設(shè)計解決方案。從最初的項目模塊規(guī)劃到最終形成生產(chǎn)數(shù)據(jù)都可以按照設(shè)計者自己的設(shè)計方式實現(xiàn)。
雖然Protel 99 SE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(shè)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(shè)計過程中，主要還需要依靠設(shè)計者多年設(shè)計板圖的經(jīng)驗和一些先進的設(shè)計規(guī)范與設(shè)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(shè)計規(guī)范和本人多年的設(shè)計經(jīng)驗來闡述一下PCB板圖在設(shè)計過程中所必須依據(jù)一些設(shè)計規(guī)范和設(shè)計技巧，以便初學(xué)者能更快、更好的設(shè)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(shè)計流程，本文主要從設(shè)計前期準備、PCB板圖布局、布線和設(shè)計評審四個方面將進行一一闡述。

1 設(shè)計前期準備
在PCB板圖設(shè)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(shè)計好原理圖之外，還要畫得好。在進行PCB設(shè)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，最好是自己根據(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(yīng)關(guān)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(shè)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(guān)人員的技術(shù)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(jié)構(gòu)圖，應(yīng)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(guān)機械尺寸。

2 PCB板圖布局
在整個PCB板圖設(shè)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(shè)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第一個焊盤為坐標原點。根據(jù)多年設(shè)計板圖的經(jīng)驗和標準設(shè)計規(guī)范可知，布局操作的基本原則如下：
(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)圖設(shè)置板框的尺寸，按結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(yīng)優(yōu)先布局。布局中應(yīng)參考原理圖的設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)盡量靠近放置，并調(diào)整各元器件以保證連線最為簡潔。同時，調(diào)整各功能塊間的相對位置使功能塊間的連線最簡短；
(5)對于質(zhì)量大的元器件應(yīng)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(yīng)遠離發(fā)熱元件放置，必要時還應(yīng)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(yīng)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最好加一個去耦電容，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最短；
(8)布局完成后應(yīng)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(yīng)關(guān)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(shè)計打下了一個好的基礎(chǔ)，布線是整個PCB設(shè)計中最重要的工序。這將直接影響著PCB板的性能好壞。在PCB的設(shè)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(shè)計時的最基本的要求。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，使其能達到最佳的電器性能。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(yīng)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，最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(dǎo)，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(shè)計中應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)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(yīng)該走其它信號線，以使周圍電場趨近于零；
(6)預(yù)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(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時應(yīng)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(shè)計布線時應(yīng)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(wù)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(yīng)”，減少不必要的干擾輻射和接受，否則帶來不可預(yù)知的結(jié)果；
(8)任何信號線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應(yīng)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(guān)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。
最后要進行布線優(yōu)化和絲印，俗話說“沒有最好的，只有更好的”，不管你怎么挖空心思的去設(shè)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(shè)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(shè)計時正視元件面，底層的字應(yīng)做鏡像處理，以免混淆層面。

4 設(shè)計評審
PCB板圖設(shè)計完成后，根據(jù)相應(yīng)的質(zhì)量評審要求，對設(shè)計進行設(shè)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(jié)構(gòu)圖一致。(2)檢查高頻、高速、時鐘等易受干擾的信號線，是否回路面積最小、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(yīng)盡量避免在其下面穿線，特別是晶體下面應(yīng)盡量鋪設(shè)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。